Sodobne teorije o nastanku življenja na zemlji. Teorije in hipoteze o nastanku življenja na zemlji
Filozofi in zgodovinarji, biologi in kemiki že stoletja in celo tisočletja razmišljajo o tem, kako je na našem planetu nastalo življenje, vendar o tem vprašanju še vedno ni enotnega mnenja, tako da moderna družba Obstaja več teorij, ki imajo vse pravico do obstoja.
Spontano nastajanje življenja
Ta teorija je nastala v starih časih. V njegovem kontekstu znanstveniki trdijo, da so živa bitja nastala iz nežive snovi. Izvedenih je bilo veliko poskusov, da bi potrdili ali ovrgli to teorijo. Tako je L. Pasteur prejel nagrado za poskus kuhanja juhe v bučki, s katerim je bilo dokazano, da lahko vsi živi organizmi izvirajo samo iz žive snovi. Vendar pa obstaja novo vprašanje: Od kod so prišli organizmi, iz katerih je nastalo življenje na našem planetu?
Kreacionizem
Ta teorija predpostavlja, da je vse življenje na Zemlji skoraj istočasno ustvarilo neko višje bitje s super močmi, pa naj bo to božanstvo, Absolut, superinteligenca ali kozmična civilizacija. Ta hipoteza je pomembna že od antičnih časov in je osnova vseh svetovnih religij. Zaenkrat še ni bilo ovrženo, ker znanstvenikom ni uspelo najti razumne razlage in potrditve vsega zapleteni procesi in pojavi, ki se dogajajo na planetu.
Stacionarno stanje in panspermija
Ti dve hipotezi nam omogočata, da predstavimo splošno vizijo sveta na način, da vesolje obstaja nenehno, to je večnost (stacionarno stanje), v njem pa je življenje, ki se periodično seli z enega planeta na drugega. Življenjske oblike potujejo s pomočjo meteoritov (hipoteza panspermije). Sprejemanje te teorije je nemogoče, saj astrofiziki menijo, da je vesolje nastalo pred približno 16 milijardami let zaradi prvotne eksplozije.
Biokemijska evolucija
Ta teorija je najbolj pomembna v moderna znanost in velja za sprejeto v znanstveni skupnosti v mnogih državah po svetu. Ustanovil ga je A.I. Oparin, sovjetski biokemik. Po tej hipotezi do nastanka in zapleta življenjskih oblik pride zaradi kemične evolucije, zaradi katere medsebojno delujejo elementi vseh živih bitij. Najprej je Zemlja nastala kot kozmično telo, nato so se pojavile atmosfere, prišlo je do sinteze organskih molekul in snovi. Po tem se skozi milijone in milijarde let pojavijo različna živa bitja. To teorijo potrjujejo številni poskusi, vendar poleg nje obstaja še vrsta drugih hipotez, ki jih je treba upoštevati.
Življenje na Zemlji se je začelo pred tremi milijardami let. Od takrat je evolucija spremenila osnovne enocelične organizme v različne oblike, barve, velikosti in funkcije, ki jih vidimo danes. Toda kako točno je življenje nastalo v prvobitni juhi - vodi v plitvih izvirih in nasičeni z aminokislinami in nukleotidi?
Na vprašanje, kaj točno je povzročilo nastanek življenja, obstaja veliko teoretičnih odgovorov, od udara strele do vesoljskega telesa. Tukaj je le nekaj izmed njih.
Iskra elektrike
Tista metaforična življenjska iskra bi lahko bila povsem dobesedna iskra ali številne iskre, katerih vir je bila strela. Električne iskre, ki vstopajo v vodo, lahko povzročijo nastanek aminokislin in glukoze ter jih pretvorijo iz ozračja, bogatega z metanom, vodo, vodikom in amoniakom. To teorijo so leta 1953 celo eksperimentalno potrdili in dokazali, da bi prav strela lahko bila vzrok za nastanek osnovnih elementov, potrebnih za nastanek prvih oblik življenja.
Po izvedbi poskusa so znanstveniki lahko dokazali, da zgodnja atmosfera našega planeta ni mogla vsebovati zadostne količine vodika, vendar so lahko vulkanski oblaki, ki pokrivajo površino Zemlje, vključevali vse potrebne elemente in s tem dovolj elektronov, da povzročijo strela.
Podvodni hidrotermalni vrelci
Razmeroma močne globokomorske odprtine bi lahko postale nujen vir vodika za nastanek prvih živih organizmov na njihovih skalnatih površinah. Še danes se okoli hidrotermalnih vrelcev, tudi v velikih globinah, razvijejo različni ekosistemi.
Glina
Prve organske molekule bi lahko našli na površini gline. Glina vedno vsebuje zadostno količino organskih sestavin, poleg tega bi lahko postala nekakšen organizator teh komponent v kompleksnejše in učinkovitejše strukture, podobne DNK.
Pravzaprav je DNK nekakšen zemljevid za aminokisline, ki natančno nakazuje, kako naj bodo organizirane v celicah kompleksnih maščob. Skupina biologov z Univerze v Glasgowu na Škotskem trdi, da bi lahko bila glina takšen zemljevid za najpreprostejše polimere in maščobe, dokler se ne naučijo "samoorganizirati".
Panspermija
Ta teorija nas spodbuja k razmišljanju o možnosti kozmičnega izvora življenja. To pomeni, da po njegovih postulatih življenje ni nastalo na Zemlji, ampak je bilo sem preprosto prineseno s pomočjo meteorita, na primer z Marsa. Na zemlji so našli dovolj drobcev, ki so domnevno prišli k nam z rdečega planeta. Drug način "vesoljskih taksijev" za neznane oblike življenja so kometi, ki lahko potujejo med zvezdnimi sistemi.
Tudi če je to res, panspermija še vedno ne more odgovoriti na vprašanje, kako točno je življenje nastalo tam, kjer je bilo prineseno na planet Zemljo.
Pod ledenim pokrovom
Možno je, da so bili oceani in celine pred tremi milijardami let prekriti z debelo plastjo ledu, ker Sonce ni sijalo tako močno kot danes. Led bi lahko postal zaščitni sloj za krhke organske molekule, ki preprečujejo, da bi ultravijolični žarki in kozmična telesa, ki trčijo ob površje, poškodovali prve in najšibkejše oblike življenja. Poleg tega bi lahko nižje temperature povzročile, da so se prve molekule razvile v močnejše in dolgotrajnejše.
RNA svet
Svetovna teorija RNK temelji na filozofskem vprašanju jajca in piščanca. Dejstvo je, da so za tvorbo (podvojitev) DNK potrebne beljakovine, beljakovine pa se ne morejo samoreproducirati brez samega zemljevida, vgrajenega v DNK. Kako je torej nastalo življenje, če se eno ne more pojaviti brez drugega, a oba obstajata popolno v sedanjosti? Odgovor je lahko RNA, ribonukleinska kislina, ki lahko shrani informacije, kot je DNK, in služi kot beljakovinski encimi. Na osnovi RNA je nastala popolnejša DNA, nato pa so bolj učinkovite beljakovine popolnoma nadomestile RNA.
Danes RNA obstaja in opravlja več funkcij v kompleksnih organizmih, odgovorna je na primer za delovanje določenih genov. Ta teorija je povsem logična, vendar ne odgovarja na vprašanje, kaj je služilo kot katalizator za nastanek same ribonukleinske kisline. Domnevo, da bi se lahko pojavil sam, večina znanstvenikov zavrača. Teoretična razlaga je nastanek najpreprostejših kislin PNA in TNA, ki sta se nato razvili v RNA.
Najenostavnejši začetek
Ta teorija se imenuje holobioza in izhaja iz ideje, da se življenje ni začelo iz zapletenih molekul RNA in primarne genetske kode, temveč iz preprostih delcev, ki medsebojno delujejo zaradi presnove. Morda so se ti delci razvili skozi čas Vsebovanje, kot membrana, nato pa se je razvil v en, bolj zapleten organizem. Ta model se imenuje "encimski model metabolizma", medtem ko se svetovna teorija RNA imenuje "model primarne genetske kode".
Mestna izobraževalna ustanova
Srednja šola št. 45
Teorije o nastanku življenja na Zemlji
Izvedeno : učenec 11. razreda "B"
Nigmatullina Marija
Proveila : učitelj biologije
Trapueva L. S.
Čeljabinsk
2010
1. Uvod
2. Hipoteze o nastanku življenja
3. Genobioza in holobioza
4. Oparin–Haldane teorija
5. Svet RNK kot predhodnik sodobnega življenja
6. Panspermija
7. Spontana generacija življenja
8. Teorija stabilnega stanja
9. Kreacionizem
10. Teorija evolucije
11. Darvinistična teorija
12. Zaključek
Uvod
Teorije o nastanku Zemlje in življenja na njej ter celotnega vesolja so različne in vse prej kot zanesljive. Po teoriji stabilnega stanja je vesolje obstajalo večno. Po drugih hipotezah bi lahko vesolje nastalo iz kopice nevtronov kot posledica "velikega poka", se rodilo v eni od črnih lukenj ali pa ga je ustvaril Stvarnik. V nasprotju s splošnim prepričanjem znanost ne more ovreči teze o božanskem stvarjenju vesolja, tako kot teološki pogledi ne zavračajo nujno možnosti, da je življenje v procesu svojega razvoja pridobilo lastnosti, ki jih je mogoče razložiti na podlagi naravnih zakonov. .
Hipoteze o nastanku življenja
V različnih časih so bile postavljene naslednje hipoteze o izvoru življenja na Zemlji:
- Hipoteza biokemične evolucije
- Hipoteza panspermije
- Hipoteza o stacionarnem stanju življenja
- Hipoteza o spontani generaciji
Teorije spontana generacija in stabilno stanje so samo zgodovinskega ali filozofskega pomena, saj rezultati znanstvena raziskava so v nasprotju s sklepi teh teorij.
Teorija panspermija ne rešuje temeljnega vprašanja izvora življenja, le potiska ga v še bolj megleno preteklost Vesolja, čeprav ga kot hipotezo o nastanku življenja na Zemlji ne moremo izključiti.
Genobioza in holobioza
Glede na to, kaj se šteje za primarno, obstajata dva metodološka pristopa k vprašanju izvora življenja:
Genobioza- metodološki pristop k vprašanju izvora življenja, ki temelji na prepričanju o primarnosti molekularnega sistema z lastnostmi primarne genetske kode.
holobioza- metodološki pristop k vprašanju izvora življenja, ki temelji na ideji o primaru struktur, obdarjenih s sposobnostjo elementarne presnove s sodelovanjem encimskega mehanizma.
Oparin-Haldane teorija
Leta 1924 je bodoči akademik Oparin objavil članek "Izvor življenja", ki je bil leta 1938 preveden v angleščino in je oživil zanimanje za teorijo spontane generacije. Oparin je predlagal, da lahko v raztopinah spojin z visoko molekulsko maso spontano nastanejo cone povečane koncentracije, ki so relativno ločene od zunanjega okolja in lahko vzdržujejo izmenjavo z njim. Poklical jih je Koacervatne kapljice, ali preprosto koacervati .
Po njegovi teoriji lahko proces, ki je privedel do nastanka življenja na Zemlji, razdelimo na tri stopnje:
- Pojav organskih snovi
- Pojav beljakovin
- Nastanek beljakovinskih teles
Astronomske študije kažejo, da so tako zvezde kot planetarni sistemi nastali iz plinaste in prašne snovi. Poleg kovin in njihovih oksidov je vseboval vodik, amoniak, vodo in najpreprostejši ogljikovodik - metan.
Pogoji za začetek procesa nastajanja beljakovinskih struktur so bili vzpostavljeni od trenutka, ko se je pojavil primarni ocean. V vodnem okolju so lahko derivati ogljikovodikov podvrženi zapletenim kemičnim spremembam in transformacijam. Zaradi tega zapletanja molekul bi lahko nastale kompleksnejše organske snovi, namreč ogljikovi hidrati.
Znanost je dokazala, da je z uporabo ultravijoličnih žarkov mogoče umetno sintetizirati ne le aminokisline, ampak tudi druge bio kemične snovi. Po Oparinovi teoriji bi lahko bil nadaljnji korak k nastanku beljakovinskih teles nastanek koacervatnih kapljic. pri določene pogoje vodna lupina organskih molekul je dobila jasne meje in ločila molekulo od okoliške raztopine. Molekule, obdane z vodno lupino, so se združile in tvorile večmolekularne komplekse - koacervate.
Koacervatne kapljice lahko nastanejo tudi zaradi preprostega mešanja različnih polimerov. V tem primeru je prišlo do samosestavljanja polimernih molekul v multimolekularne tvorbe – kapljice, vidne pod optičnim mikroskopom.
Kapljice so lahko absorbirale snovi od zunaj kot odprti sistemi. Ko so v kapljice koacervata vključeni različni katalizatorji (tudi encimi), so v njih potekale različne reakcije, predvsem polimerizacija monomerov, ki prihajajo iz zunanjega okolja. Zaradi tega se lahko kapljice povečajo v prostornini in teži ter se nato razdelijo na hčerinske formacije. Tako lahko koacervati rastejo, se razmnožujejo in izvajajo presnovo.
Podobno je izrazil tudi britanski biolog John Haldane.
Teorijo je preizkusil Stanley Miller leta 1953 v eksperimentu Miller-Urey. V zaprto posodo (slika 1) je postavil zmes H 2 O, NH 3, CH 4, CO 2, CO in skozi njo začel spuščati električne razelektritve. Izkazalo se je, da se tvorijo aminokisline. Kasneje v različni pogoji so bili pridobljeni drugi sladkorji in nukleotidi. Ugotovil je, da lahko do evolucije pride v fazno ločenem stanju od raztopine (koacervati). Vendar se tak sistem ne more sam reproducirati.
Teorija je bila upravičena, razen pri enem problemu, na katerega so skoraj vsi strokovnjaki na področju izvora življenja dolgo zatiskali oči. Če so se v koacervatu spontano, z naključnimi sintezami brez šablon, pojavile posamezne uspešne zasnove proteinskih molekul (na primer učinkoviti katalizatorji, ki zagotavljajo prednost določenemu koacervatu pri rasti in razmnoževanju), kako bi jih potem lahko kopirali za distribucijo znotraj koacervata, še bolj pa za prenos na koacervate potomce? Izkazalo se je, da teorija ne more ponuditi rešitve problema natančne reprodukcije - znotraj koacervata in v generacijah - posameznih, naključno pojavljajočih se učinkovitih beljakovinskih struktur. Pokazalo pa se je, da lahko prvi koacervati nastanejo spontano iz lipidov, sintetiziranih abiogeno, in lahko vstopijo v simbiozo z "živimi raztopinami" - kolonijami samopodvajajočih se molekul RNK, med katerimi so ribozimi, ki katalizirajo sintezo lipidov, in tako združbo je že mogoče imenovati organizem.
Aleksander Oparin (desno) v laboratoriju
Svet RNK kot predhodnik sodobnega življenja
Do 21. stoletja je teorija Oparin-Haldane, ki predpostavlja prvotni nastanek proteinov, praktično umaknila prostor modernejši. Spodbuda za njen razvoj je bilo odkritje ribozimov – molekul RNK z encimsko aktivnostjo, ki so zato sposobne združevati funkcije, ki jih v resničnih celicah večinoma ločeno opravljajo proteini in DNK, to je kataliziranje biokemičnih reakcij in shranjevanje dednih informacij. Tako se domneva, da so bila prva živa bitja RNA organizmi brez proteinov in DNK, njihov prototip pa bi lahko bil avtokatalitski cikel, ki ga tvorijo prav tisti ribocimi, ki so sposobni katalizirati sintezo lastnih kopij.
Panspermija
Po teoriji panspermije, ki jo je leta 1865 predlagal nemški znanstvenik G. Richter in dokončno oblikoval švedski znanstvenik Arrhenius leta 1895, bi lahko življenje prinesli na Zemljo iz vesolja. Živi organizmi nezemeljskega izvora najverjetneje vstopijo z meteoriti in kozmičnim prahom. Ta predpostavka temelji na podatkih o visoki odpornosti nekaterih organizmov in njihovih spor na sevanje, visok vakuum, nizke temperature in druge vplive. Vendar pa še vedno ni zanesljivih dejstev, ki bi potrjevala nezemeljski izvor mikroorganizmov, najdenih v meteoritih. A tudi če bi prispeli na Zemljo in na našem planetu vzbudili življenje, bi vprašanje o prvotnem izvoru življenja ostalo neodgovorjeno.
Francis Crick in Leslie Orgel sta leta 1973 predlagala drugo možnost - nadzorovano panspermijo, to je namerno "okužbo" Zemlje (skupaj z drugimi planetnimi sistemi) z mikroorganizmi, ki jih je na vesoljskih plovilih brez posadke dostavila napredna tuja civilizacija, ki se je morda soočila z globalno katastrofo ali preprosto upal, da bo teraformiral druge planete za prihodnjo kolonizacijo. Navedli so dva glavna argumenta v prid svoji teoriji - univerzalnost genetske kode (znane druge različice kode se v biosferi uporabljajo veliko manj pogosto in se malo razlikujejo od univerzalne) in pomembna vloga molibdena v nekaterih encimih. Molibden je povsod zelo redek element solarni sistem. Po mnenju avtorjev je prvotna civilizacija morda živela v bližini zvezde, obogatene z molibdenom.
Proti ugovoru, da teorija o panspermiji (vključno z nadzorovano) ne rešuje vprašanja izvora življenja, navajata naslednji argument: na planetih druge vrste, ki nam ni znana, je lahko verjetnost izvora življenja na začetku velika višji kot na Zemlji, na primer zaradi prisotnosti posebnih mineralov z visoko katalitično aktivnostjo.
Leta 1981 je F. Crick napisal knjigo »Samo življenje: njegov izvor in narava«, v kateri podrobneje kot v članku in v priljubljeni obliki navaja hipotezo o nadzorovani panspermiji.
Vprašanje, kdaj se je življenje pojavilo na Zemlji, je vedno skrbelo ne le znanstvenike, ampak tudi vse ljudi. Odgovori nanj
skoraj vse vere. Čeprav natančnega znanstvenega odgovora na to vprašanje še vedno ni, nam nekatera dejstva omogočajo bolj ali manj razumne hipoteze. Raziskovalci so našli vzorec kamnine na Grenlandiji
z drobnim kančkom ogljika. Starost vzorca je več kot 3,8 milijarde let. Vir ogljika je bila najverjetneje nekakšna organska snov - v tem času je popolnoma izgubila svojo strukturo. Znanstveniki verjamejo, da je ta kos ogljika morda najstarejša sled življenja na Zemlji.
Kako je izgledala prvobitna Zemlja?
Preskočimo naprej na 4 milijarde let nazaj. Ozračje ne vsebuje prostega kisika, najdemo ga le v oksidih. Skoraj nobenih zvokov, razen žvižganja vetra, šumenja vode, ki izbruhne z lavo, in udarcev meteoritov na površje Zemlje. Brez rastlin, brez živali, brez bakterij. Morda je tako izgledala Zemlja, ko se je na njej pojavilo življenje? Čeprav ta problem že dolgo skrbi številne raziskovalce, se njihova mnenja o tem zelo razlikujejo. Kamnine bi lahko kazale na takratne razmere na Zemlji, a so bile zaradi geoloških procesov in premikov zemeljske skorje že davno uničene.
V tem članku bomo na kratko govorili o več hipotezah o izvoru življenja, ki odražajo sodobne znanstvene ideje. Po besedah Stanleyja Millerja, znanega strokovnjaka na področju izvora življenja, lahko govorimo o nastanku življenja in začetku njegove evolucije od trenutka, ko so se organske molekule samoorganizirale v strukture, ki so se lahko razmnoževale. . Toda to postavlja druga vprašanja: kako so nastale te molekule; zakaj so se lahko razmnoževali in sestavljali v tiste strukture, iz katerih so nastali živi organizmi; kakšni pogoji so potrebni za to?
Po eni od hipotez se je življenje začelo v kosu ledu. Čeprav mnogi znanstveniki verjamejo, da je ogljikov dioksid, prisoten v ozračju, zagotovil vzdrževanje pogoji v rastlinjaku, drugi menijo, da je na Zemlji vladala zima. Pri nizkih temperaturah so vse kemične spojine stabilnejše in se zato lahko kopičijo v večjih količinah kot pri visokih temperaturah. Delci meteorita, prineseni iz vesolja, emisije iz hidrotermalnih vrelcev in kemične reakcije med električnimi razelektritvami v ozračju so bili vir amoniaka in organskih spojin, kot sta formaldehid in cianid. Ko so prišli v vodo Svetovnega oceana, so zmrznili skupaj z njim. V ledenem stebru so se molekule organskih snovi zbližale in vstopile v interakcije, ki so privedle do nastanka glicina in drugih aminokislin. Ocean je bil prekrit z ledom, ki je zaščitil novo nastale spojine pred uničenjem z ultravijoličnim sevanjem. Ta ledeni svet bi se lahko stopil, na primer, če bi na planet padel ogromen meteorit (slika 1).
Charles Darwin in njegovi sodobniki so verjeli, da bi življenje lahko nastalo v vodnem telesu. Mnogi znanstveniki se še vedno držijo tega stališča. V zaprtem in razmeroma majhnem rezervoarju bi se lahko organske snovi, ki jih prinese voda, ki priteka vanj, kopičile v zahtevanih količinah. Te spojine so bile nato dodatno koncentrirane na notranjih površinah slojevitih mineralov, kar bi lahko kataliziralo reakcije. Na primer, dve molekuli fosfaldehida, ki sta se srečali na površini minerala, sta reagirali druga z drugo in tvorili fosforilirano molekulo ogljikovih hidratov, možno predhodnico ribonukleinske kisline (slika 2).
Ali pa je morda življenje nastalo na območjih vulkanske dejavnosti? Takoj po nastanku je bila Zemlja krogla magme, ki bruha ogenj. Med vulkanskimi izbruhi in s plini, sproščenimi iz staljene magme, so se na zemeljsko površje prenašale različne kemikalije, potrebne za sintezo organskih molekul. Tako lahko molekule ogljikovega monoksida, ko so na površini minerala pirita, ki ima katalitične lastnosti, reagirajo s spojinami, ki imajo metilne skupine in tvorijo ocetna kislina, iz katerega so bile nato sintetizirane druge organske spojine (slika 3).
Ameriški znanstvenik Stanley Miller je prvič uspel pridobiti organske molekule - aminokisline - v laboratorijskih pogojih, ki simulirajo tiste, ki so bile na primitivni Zemlji leta 1952. Potem so ti poskusi postali senzacija, njihov avtor pa je pridobil svetovno slavo. Trenutno nadaljuje z raziskavami na področju kemije prebiotikov (pred življenjem) na Univerzi v Kaliforniji. Namestitev, na kateri je bil izveden prvi poskus, je bil sistem bučk, v eni od katerih je bilo mogoče dobiti močno električno razelektritev pri napetosti 100.000 V.
Miller je to bučko napolnil z naravnimi plini - metanom, vodikom in amoniakom, ki so bili prisotni v atmosferi prvobitne Zemlje. Spodnja bučka je vsebovala majhno količino vode, ki je simulirala ocean. Električna razelektritev je bila po moči blizu strele in Miller je pričakoval, da bodo pod njenim delovanjem nastale kemične spojine, ki bodo, ko bodo prišle v vodo, reagirale med seboj in tvorile bolj zapletene molekule.
Rezultat je presegel vsa pričakovanja. Po izklopu instalacije zvečer in vrnitvi naslednje jutro je Miller ugotovil, da je voda v bučki postala rumenkasta. Nastala je juha iz aminokislin, gradnikov beljakovin. Tako je ta poskus pokazal, kako enostavno je mogoče oblikovati primarne sestavine življenja. Vse, kar je bilo potrebno, je bila mešanica plinov, majhen ocean in malo strele.
Drugi znanstveniki so nagnjeni k prepričanju, da je bilo starodavno ozračje Zemlje drugačno od tistega, ki ga je modeliral Miller, in je najverjetneje sestavljeno iz ogljikovega dioksida in dušika. Z uporabo te mešanice plinov in Millerjeve eksperimentalne postavitve so kemiki poskušali proizvesti organske spojine. Vendar je bila njihova koncentracija v vodi tako zanemarljiva, kot če bi kapljico jedilnega barvila raztopili v bazenu. Seveda si je težko predstavljati, kako bi lahko nastalo življenje v tako razredčeni raztopini.
Če res prispevek zemeljskih procesov k ustvarjanju zalog primarnega organska snov je bilo tako nepomembno, od kod je sploh prišlo? Mogoče iz vesolja? Asteroidi, kometi, meteoriti in celo delci medplanetarnega prahu lahko prenašajo organske spojine, vključno z aminokislinami. Ti nezemeljski objekti bi lahko zagotovili zadostne količine organskih spojin, da bi življenje vstopilo v prvobitni ocean ali majhno vodno telo.
Zaporedje in časovni interval dogodkov, začenši od nastanka primarne organske snovi in konča s pojavom življenja kot takega, ostaja in bo verjetno za vedno ostala skrivnost, ki skrbi mnoge raziskovalce, pa tudi vprašanje, kaj. pravzaprav menite, da je življenje.
Trenutno obstaja več znanstvenih definicij življenja, vendar vse niso točne. Nekatere od njih so tako široke, da podnje padajo neživi predmeti, kot je ogenj ali mineralni kristali. Druge so preozke in po njih mule, ki ne skotijo potomcev, niso prepoznane kot žive.
Eden najuspešnejših opredeljuje življenje kot samozadostno kemični sistem, ki se je sposoben obnašati v skladu z zakoni Darwinove evolucije. To pomeni, da mora najprej skupina živečih osebkov ustvariti sebi podobne potomce, ki podedujejo značilnosti svojih staršev. Drugič, generacije potomcev morajo pokazati posledice mutacij – genetskih sprememb, ki jih podedujejo naslednje generacije in povzročajo populacijsko variabilnost. In tretjič, potrebno je, da deluje sistem naravne selekcije, zaradi katerega nekateri posamezniki pridobijo prednost pred drugimi in preživijo v spremenjenih razmerah ter ustvarjajo potomce.
Kateri elementi sistema so bili potrebni, da je imel lastnosti živega organizma? Velika številka biokemiki in molekularni biologi verjamejo, da so imele molekule RNA potrebne lastnosti. RNA – ribonukleinske kisline – so posebne molekule. Nekateri med njimi se lahko razmnožujejo, mutirajo, s čimer prenašajo informacije, in tako lahko sodelujejo pri naravni selekciji. Res je, da sami niso sposobni katalizirati procesa razmnoževanja, čeprav znanstveniki upajo, da bodo v bližnji prihodnosti našli fragment RNK s takšno funkcijo. Druge molekule RNA sodelujejo pri "branju" genetskih informacij in njihovem prenosu v ribosome, kjer pride do sinteze beljakovinskih molekul, v kateri sodeluje tretja vrsta molekul RNA.
Tako bi lahko najbolj primitiven živi sistem predstavljali molekule RNA, ki se podvajajo, so podvržene mutacijam in so podvržene naravni selekciji. V procesu evolucije so na osnovi RNK nastale specializirane molekule DNK - skrbniki genetskih informacij - in nič manj specializirane proteinske molekule, ki so prevzele funkcije katalizatorjev za sintezo vseh trenutno znanih bioloških molekul.
V nekem trenutku je »živi sistem« DNK, RNK in beljakovin našel zavetje znotraj vrečke, ki jo tvori lipidna membrana, ta pa je bila bolj zaščitena pred zunanji vplivi struktura je služila kot prototip za prve celice, ki so povzročile tri glavne veje življenja, ki jih v sodobnem svetu predstavljajo bakterije, arheje in evkarionti. Kar zadeva datum in zaporedje pojava takšnih primarnih celic, to ostaja skrivnost. Poleg tega je po preprostih verjetnostnih ocenah premalo časa za evolucijski prehod od organskih molekul do prvih organizmov – prvi najpreprostejši organizmi so se pojavili preveč nenadoma.
Znanstveniki so dolga leta verjeli, da je malo verjetno, da bi se življenje lahko pojavilo in razvilo v obdobju, ko je bila Zemlja nenehno izpostavljena trkom z velikimi kometi in meteoriti, kar je obdobje, ki se je končalo pred približno 3,8 milijarde let. Vendar pa so nedavno v najstarejših sedimentnih kamninah na Zemlji, najdenih na jugozahodu Grenlandije, odkrili sledove kompleksnih celičnih struktur, ki segajo vsaj 3,86 milijarde let nazaj. To pomeni, da bi se prve oblike življenja lahko pojavile milijone let, preden se je prenehalo obstreljevanje našega planeta z velikimi kozmičnimi telesi. A takrat je možen povsem drugačen scenarij (slika 4).
Vesoljski objekti, ki so padli na Zemljo, bi lahko imeli osrednjo vlogo pri nastanku življenja na našem planetu, saj bi po mnenju številnih raziskovalcev celice, podobne bakterijam, lahko nastale na drugem planetu in nato skupaj z asteroidi dosegle Zemljo. Eden od dokazov, ki podpira teorijo o nezemeljskem izvoru življenja, je bil najden znotraj meteorita v obliki krompirja in imenovanega ALH84001. Ta meteorit je bil prvotno kos Marsove skorje, ki je bil nato vržen v vesolje zaradi eksplozije, ko je ogromen asteroid trčil v površino Marsa, kar se je zgodilo pred približno 16 milijoni let. In pred 13 tisoč leti, po dolgem potovanju po sončnem sistemu, je ta delček Marsove kamnine v obliki meteorita pristal na Antarktiki, kjer je bil nedavno odkrit. Podrobna študija meteorita je razkrila paličaste strukture, ki spominjajo na fosilizirane bakterije v njem, kar je sprožilo burno znanstveno razpravo o možnosti življenja globoko v Marsovi skorji. Te spore bo mogoče rešiti šele leta 2005, ko bo ameriška nacionalna uprava za aeronavtiko in vesolje izvedla program poleta medplanetarnega vesoljskega plovila na Mars, da bi vzela vzorce Marsove skorje in dostavila vzorce na Zemljo. In če znanstvenikom uspe dokazati, da so mikroorganizmi nekoč naseljevali Mars, potem lahko z večjo mero zaupanja govorimo o nezemeljskem izvoru življenja in možnosti, da je življenje prineseno iz vesolja (slika 5).
riž. 5. Naš izvor je iz mikrobov.
Kaj smo podedovali od starodavnih oblik življenja? Spodnja primerjava enoceličnih organizmov s človeškimi celicami razkriva veliko podobnosti.
 1. Spolno razmnoževanje |
 2. Trepalnice |
 3. Zajemite druge celice |
 4. Mitohondriji |
 5. Flagella |
Razvoj življenja na Zemlji: od preprostega do zapletenega
Trenutno in verjetno tudi v prihodnosti znanost ne bo mogla odgovoriti na vprašanje, kako je izgledal prvi organizem, ki se je pojavil na Zemlji - prednik, iz katerega izvirajo tri glavne veje drevesa življenja. Ena od vej so evkarionti, katerih celice imajo oblikovano jedro, ki vsebuje genetski material in specializirane organele: mitohondrije, ki proizvajajo energijo, vakuole itd. Evkariontski organizmi vključujejo alge, glive, rastline, živali in človeka.
Druga veja so bakterije - prokariontski (predjedrni) enocelični organizmi, ki nimajo izrazitega jedra in organelov. In končno, tretja veja so enocelični organizmi, imenovani arheje ali arhebakterije, katerih celice imajo enako strukturo kot prokarionti, vendar popolnoma drugačno kemično strukturo lipidov.
Številne arhebakterije so sposobne preživeti v izjemno neugodnih okoljskih razmerah. Nekateri med njimi so termofili in živijo le v vročih vrelcih s temperaturo 90 °C ali celo več, kjer bi drugi organizmi preprosto poginili. Ti enocelični organizmi, ki se v takih razmerah počutijo odlično, uživajo železo in žveplove snovi ter številne kemične spojine, strupeno za druge oblike življenja. Po mnenju znanstvenikov so najdene termofilne arhebakterije izjemno primitivni organizmi in v evolucijskem smislu bližnji sorodniki najstarejših oblik življenja na Zemlji.
Zanimivo je, da sodobni predstavniki vseh treh vej življenja, najbolj podobni svojim prednikom, še vedno živijo v krajih z visokimi temperaturami. Na podlagi tega so nekateri znanstveniki nagnjeni k prepričanju, da se je najverjetneje življenje pojavilo pred približno 4 milijardami let na oceanskem dnu v bližini vročih izvirov, ki so izbruhnili potoke, bogate s kovinami in visokoenergetskimi snovmi. Med interakcijo med seboj in z vodo tedanjega sterilnega oceana ter vstopom v najrazličnejše kemične reakcije so te spojine povzročile bistveno nove molekule. Torej, desetine milijonov let v tem " kemična kuhinja»Pripravljala se je največja jed – življenje. In pred približno 4,5 milijardami let so se na Zemlji pojavili enocelični organizmi, katerih osamljeni obstoj se je nadaljeval skozi predkambrijsko obdobje.
Izbruh evolucije, ki je povzročil nastanek večceličnih organizmov, se je zgodil mnogo kasneje, pred nekaj več kot pol milijarde let. Čeprav so mikroorganizmi tako majhni, da lahko ena sama kapljica vode vsebuje milijarde, je obseg njihovega dela ogromen.
Menijo, da sprva v zemeljski atmosferi in oceanih ni bilo prostega kisika, v teh pogojih pa so živeli in se razvijali le anaerobni mikroorganizmi. Poseben korak v evoluciji živih bitij je bil nastanek fotosintetskih bakterij, ki so s pomočjo svetlobne energije pretvorile ogljikov dioksid v ogljikove hidratne spojine, ki so služile kot hrana drugim mikroorganizmom. Če so prvi fotosintetiki proizvajali metan ali vodikov sulfid, potem so mutanti, ki so se pojavili, med fotosintezo začeli proizvajati kisik. Ko se je kisik kopičil v atmosferi in vodah, so anaerobne bakterije, za katere je škodljiv, zasedle niše brez kisika.
Starodavni fosili, najdeni v Avstraliji, stari 3,46 milijarde let, so razkrili strukture, ki naj bi bile ostanki cianobakterij, prvih fotosintetskih mikroorganizmov. Nekdanjo prevlado anaerobnih mikroorganizmov in cianobakterij dokazujejo stromatoliti, najdeni v plitvih obalnih vodah neonesnaženih slanih vodnih teles. Po obliki spominjajo na velike balvane in predstavljajo zanimivo združbo mikroorganizmov, ki živijo v apnenčastih ali dolomitnih kamninah, ki so nastale kot posledica njihove življenjske dejavnosti. V globini nekaj centimetrov od površine so stromatoliti nasičeni z mikroorganizmi: v najvišji plasti živijo fotosintetske cianobakterije, ki proizvajajo kisik; najdemo globlje bakterije, ki so do določene mere tolerantne na kisik in ne potrebujejo svetlobe; v spodnji plasti so bakterije, ki lahko živijo le v odsotnosti kisika. Ti mikroorganizmi, ki se nahajajo v različnih plasteh, tvorijo sistem, ki ga povezujejo zapleteni odnosi med njimi, vključno z odnosi s hrano. Za mikrobnim filmom je kamen, ki nastane kot posledica interakcije ostankov odmrlih mikroorganizmov s kalcijevim karbonatom, raztopljenim v vodi. Znanstveniki menijo, da so bile plitve vode polne stromatolitov, ko na prvinski Zemlji še ni bilo celin in so se nad gladino oceana dvigovali le arhipelagi vulkanov.
Zaradi aktivnosti fotosintetskih cianobakterij se je v oceanu pojavil kisik, približno milijardo let zatem pa se je začel kopičiti v ozračju. Najprej je nastali kisik medsebojno deloval z železom, raztopljenim v vodi, kar je povzročilo pojav železovih oksidov, ki so se postopoma oborili na dnu. Tako so v milijonih let s sodelovanjem mikroorganizmov nastala ogromna nahajališča železove rude, iz katere danes talijo jeklo.
Potem, ko je glavnina železa v oceanih oksidirala in ni mogla več vezati kisika, je v plinasti obliki ušlo v ozračje.
Potem ko so fotosintetske cianobakterije iz ogljikovega dioksida ustvarile določeno zalogo energijsko bogate organske snovi in obogatile zemeljsko atmosfero s kisikom, so nastale nove bakterije – aerobi, ki lahko obstajajo samo ob prisotnosti kisika. Za oksidacijo (zgorevanje) organskih spojin potrebujejo kisik, pomemben del nastale energije pa se pretvori v biološko dostopno obliko - adenozin trifosfat (ATP). Ta proces je energijsko zelo ugoden: anaerobne bakterije pri razgradnji ene molekule glukoze prejmejo le 2 molekuli ATP, aerobne bakterije, ki uporabljajo kisik, pa 36 molekul ATP.
S prihodom kisika, ki je zadosten za aerobni življenjski slog, so se pojavile tudi evkariontske celice, ki imajo za razliko od bakterij jedro in organele, kot so mitohondriji, lizosomi, v algah in višjih rastlinah pa kloroplaste, kjer potekajo fotosintetske reakcije. O nastanku in razvoju evkariontov obstaja zanimiva in utemeljena hipoteza, ki jo je pred skoraj 30 leti izrazil ameriški raziskovalec L. Margulis. Po tej hipotezi so mitohondriji, ki delujejo kot tovarne energije v evkariontski celici, aerobne bakterije, kloroplasti rastlinskih celic, v katerih poteka fotosinteza, pa so cianobakterije, ki so jih pred približno 2 milijardama let verjetno absorbirale primitivne amebe. Kot rezultat vzajemno koristnih interakcij so absorbirane bakterije postale notranji simbionti in tvorile stabilen sistem s celico, ki jih je absorbirala – evkariontsko celico.
Študije fosilnih ostankov organizmov v kamninah različnih geoloških starosti so pokazale, da so stotine milijonov let po njihovem nastanku evkariontske življenjske oblike predstavljali mikroskopski sferični enocelični organizmi, kot so kvasovke, njihov evolucijski razvoj pa je potekal zelo počasi. tempo. Toda pred nekaj več kot 1 milijardo let se je pojavilo veliko novih vrst evkariontov, kar je pomenilo dramatičen preskok v evoluciji življenja.
Prvič, to je bilo posledica pojava spolnega razmnoževanja. In če so se bakterije in enocelični evkarionti razmnoževali s proizvodnjo genetsko identičnih kopij samih sebe in brez potrebe po spolnem partnerju, potem spolno razmnoževanje v bolj organiziranih evkariontskih organizmih poteka na naslednji način. Dve haploidni spolni celici staršev, ki imata en niz kromosomov, se zlijeta v zigoto, ki ima dvojni niz kromosomov z geni obeh partnerjev, kar ustvarja možnosti za nove kombinacije genov. Pojav spolnega razmnoževanja je povzročil nastanek novih organizmov, ki so vstopili v areno evolucije.
Tri četrtine vsega obstoja življenja na Zemlji so predstavljali izključno mikroorganizmi, dokler ni prišlo do kvalitativnega preskoka v evoluciji, ki je privedel do nastanka visoko organiziranih organizmov, vključno s človekom. Zasledimo glavne mejnike v zgodovini življenja na Zemlji v padajoči vrstici.
Pred 1,2 milijarde let je prišlo do eksplozije evolucije, ki jo je povzročil pojav spolnega razmnoževanja in zaznamoval pojav visoko organiziranih življenjskih oblik – rastlin in živali.
Oblikovanje novih variacij v mešanem genotipu, ki nastane med spolnim razmnoževanjem, se je pokazalo v obliki biodiverzitete novih življenjskih oblik.
Pred 2 milijardama let so se kompleksne evkariontske celice pojavile, ko so enocelični organizmi zakomplicirali svojo strukturo z absorbiranjem drugih prokariontskih celic. Nekatere med njimi – aerobne bakterije – so se spremenile v mitohondrije – energetske postaje za dihanje kisika. Druge – fotosintetske bakterije – so začele izvajati fotosintezo znotraj gostiteljske celice in postale kloroplasti v celicah alg in rastlin. Evkariontske celice, ki imajo te organele in jasno razločno jedro, ki vsebuje genetski material, tvorijo vse sodobne kompleksne življenjske oblike - od plesni do človeka.
Pred 3,9 milijarde let so se pojavili enocelični organizmi, ki so verjetno izgledali kot sodobne bakterije in arhebakterije. Tako starodavne kot sodobne prokariontske celice imajo razmeroma preprosto zgradbo: nimajo oblikovanega jedra in specializiranih organelov, njihova želatinasta citoplazma vsebuje makromolekule DNA - nosilce genetskih informacij, in ribosome, na katerih poteka sinteza beljakovin in nastaja energija. citoplazmatsko membrano, ki obdaja celico.
Pred 4 milijardami let se je skrivnostno pojavila RNA. Možno je, da je nastala iz enostavnejših organskih molekul, ki so se pojavile na primitivni zemlji. Menijo, da so starodavne molekule RNA imele funkcijo prenašalcev genetske informacije in beljakovinskih katalizatorjev, bile so sposobne replikacije (samopodvajanja), mutirale in bile podvržene naravni selekciji. V sodobnih celicah RNA nima ali ne izkazuje teh lastnosti, vendar ima zelo pomembno vlogo posrednika pri prenosu genetske informacije iz DNK v ribosome, v katerih poteka sinteza beljakovin.
A.L. Prohorov
Na podlagi članka Richarda Monasterskega
v reviji National Geographic, 1998 št. 3
Problem življenja in živih bitij je predmet proučevanja številnih naravoslovnih disciplin, od biologije do filozofije, matematike, ki obravnava abstraktne modele pojava živih bitij, pa tudi fizike, ki definira življenje z vidika fizikalni zakoni.
Okoli tega glavnega problema se koncentrirajo vsi drugi bolj specifični problemi in vprašanja, gradijo pa se tudi filozofske posplošitve in zaključki.
V skladu z dvema ideološkima stališčema - materialističnim in idealističnim - so se že v antični filozofiji razvili nasprotujoči si koncepti izvora življenja: kreacionizem in materialistična teorija izvora organska narava iz anorganske.
Podporniki kreacionizem trdijo, da je življenje nastalo kot posledica dejanja božanskega ustvarjanja, kar dokazuje prisotnost v živih organizmih posebne sile, ki nadzoruje vse biološke procese.
Zagovorniki izvora življenja iz nežive narave trdijo, da je organska narava nastala zaradi delovanja naravnih zakonov. Kasneje je bil ta koncept konkretiziran v zamisli o spontanem nastanku življenja.
Koncept spontane generacije, kljub zmoti, odigral pozitivno vlogo; poskusi, namenjeni njegovi potrditvi, so zagotovili bogato empirično gradivo za razvijajočo se biološko znanost. Dokončna zavrnitev ideje o spontani generaciji se je zgodila šele v 19. stoletju.
V 19. stoletju je bil tudi nominiran hipoteza o večnem obstoju življenja in njegov kozmični izvor na Zemlji. Domneva se, da življenje obstaja v vesolju in se prenaša z enega planeta na drugega.
V začetku 20. stol. ideja kozmičnega izvora biološke sisteme na Zemlji in večnost življenja v vesolju je razvil ruski znanstvenik akademik V IN. Vernadskega.
Hipoteza akademika A.I. Oparina
Bistveno novo hipotezo o nastanku življenja je predstavil akademik A.I. Oparin v knjigi "Izvor življenja"«, objavljenem 1924. Podal je izjavo, da Načelo Redi, ki uvaja monopol biotske sinteze organskih snovi, velja le za moderno dobo obstoja našega planeta. Na začetku njenega obstoja, ko je bila Zemlja brez življenja, so na njej potekale abiotske sinteze ogljikovih spojin in njihov kasnejši predbiološki razvoj.
Bistvo Oparinove hipoteze je naslednji: nastanek življenja na Zemlji je dolg evolucijski proces nastajanja žive snovi v globinah nežive snovi. To se je zgodilo s kemijsko evolucijo, zaradi katere so pod vplivom močnih fizikalno-kemijskih procesov iz anorganskih nastajale najpreprostejše organske snovi.
Na nastanek življenja je gledal kot na en sam naravni proces, ki je sestavljen iz začetne kemijske evolucije, ki je potekala v razmerah zgodnje Zemlje, ki je postopoma prešla v kvalitativno nova raven- biokemična evolucija.
Glede na problem nastanka življenja skozi biokemijsko evolucijo Oparin identificira tri stopnje prehoda iz nežive v živo snov.
Prva stopnja je kemična evolucija. Ko je bila Zemlja še brez življenja (pred približno 4 milijardami let), je prišlo do abiotske sinteze ogljikovih spojin in njihove kasnejše predbiološka evolucija.
Za to obdobje evolucije Zemlje so bili značilni številni vulkanski izbruhi z izpustom ogromnih količin vroče lave. Ko se je planet ohlajal, se je vodna para v atmosferi kondenzirala in deževala na Zemljo ter oblikovala ogromna vodna prostranstva (primarni ocean). Ti procesi so se nadaljevali več milijonov let. V vodah primarnega oceana so bile raztopljene različne anorganske soli. Poleg tega so v ocean vstopile tudi različne organske spojine, ki nenehno nastajajo v ozračju pod vplivom ultravijoličnega sevanja. visoka temperatura in aktivno vulkansko dejavnost.
Koncentracija organskih spojin se je nenehno povečevala in sčasoma so oceanske vode postale " juho» iz beljakovinam podobnih snovi – peptidov.
Druga stopnja je pojav beljakovinskih snovi. Ko so se razmere na Zemlji mehčale, je pod vplivom električnih razelektritev, toplotne energije in ultravijoličnih žarkov na kemične mešanice primarnega oceana postalo mogoče tvoriti kompleksne organske spojine - biopolimere in nukleotide, ki so se postopoma združevali in postajali bolj kompleksni. v protobionti(predcelični predniki živih organizmov). Rezultat evolucije kompleksnih organskih snovi je bil videz koacervati, ali koacervatne kapljice.
Koacervati- kompleksi koloidnih delcev, katerih raztopina je razdeljena na dve plasti: plast, bogata s koloidnimi delci, in tekočino, ki je skoraj brez njih. Koacervati so imeli sposobnost absorbiranja različnih snovi, raztopljenih v vodah primarnega oceana. Kot rezultat notranja struktura koacervatov v smeri povečanja njihove stabilnosti v nenehno spreminjajočih se razmerah.
Teorija biokemijske evolucije obravnava koacervate kot predbiološke sisteme, ki so skupine molekul, obdanih z vodno lupino.
Na primer, koacervati lahko absorbirajo snovi iz okolju, medsebojno delujejo, se povečujejo itd. Za razliko od živih bitij pa koacervatne kapljice niso sposobne samoreprodukcije in samoregulacije, zato jih ne moremo uvrstiti med biološke sisteme.
Tretja stopnja je nastanek sposobnosti razmnoževanja, pojav žive celice. V tem obdobju je začela delovati naravna selekcija, t.j. V množici kapljic koacervata je prišlo do selekcije koacervatov, ki so bili najbolj odporni na dane okoljske razmere. Postopek izbire je potekal več milijonov let. Ohranjene koacervatne kapljice so že imele sposobnost primarnega metabolizma - glavne lastnosti življenja.
Hkrati, ko je dosegel določene velikosti, je matična kapljica razpadla na hčerinske kapljice, ki so ohranile lastnosti matične strukture.
Tako lahko govorimo o tem, da koacervati pridobijo lastnost samoproizvodnje - enega najpomembnejših znakov življenja. Pravzaprav so se na tej stopnji koacervati spremenili v najpreprostejše žive organizme.
Nadaljnji razvoj teh predbioloških struktur je bil mogoč le z naraščajočo kompleksnostjo presnovni procesi znotraj koacervata.
Notranje okolje koacervata je bilo potrebno zaščititi pred vplivi okolja. Zato so se okoli koacervatov pojavile plasti lipidov, bogate z organskimi spojinami, ki so koacervat ločile od vodnega okolja, ki ga obkroža. V procesu evolucije so se lipidi preoblikovali v zunanjo membrano, kar je bistveno povečalo sposobnost preživetja in stabilnost organizmov.
Pojav membrane je vnaprej določil smer nadaljnje biološke evolucije po poti vse bolj popolne avtoregulacije, ki je dosegla vrhunec v nastanku primarne celice - arhecelice. Celica je osnovna biološka enota, strukturna in funkcionalna osnova vseh živih bitij. Celice izvajajo neodvisen metabolizem, so sposobne delitve in samoregulacije, tj. imajo vse lastnosti živih bitij. Nastajanje novih celic iz neceličnega materiala je nemogoče; do razmnoževanja celic pride samo z delitvijo. Organski razvoj velja za univerzalni proces nastajanja celic.
Struktura celice vključuje: membrano, ki ločuje vsebino celice od zunanjega okolja; citoplazme, ki je slanica s topnimi in suspendiranimi encimi in molekulami RNA; jedro, ki vsebuje kromosome, sestavljene iz molekul DNK in na njih pritrjenih proteinov.
Posledično je treba za začetek življenja šteti nastanek stabilnega samoreproduktivnega organskega sistema (celice) s stalnim zaporedjem nukleotidov. Šele po nastanku takih sistemov lahko govorimo o začetku biološke evolucije.
Možnost abiogene sinteze biopolimerov je bila eksperimentalno dokazana sredi 20. stoletja. Leta 1953 je ameriški znanstvenik S. Miller simuliral primarno atmosfero Zemlje in s prehajanjem sintetiziral ocetno in mravljično kislino, sečnino in aminokisline električni naboji skozi mešanico inertnih plinov. Tako je bilo dokazano, kako je možna sinteza kompleksnih organskih spojin pod vplivom abiogenih dejavnikov.
Kljub svoji teoretični in eksperimentalni veljavnosti ima Oparinov koncept prednosti in slabosti.
Moč koncepta je njegova dokaj natančna eksperimentalna utemeljitev kemijske evolucije, po kateri je nastanek življenja naravni rezultat predbiološke evolucije snovi.
Prepričljiv argument v prid temu konceptu je tudi možnost eksperimentalnega preverjanja njegovih glavnih določb.
Šibka stran koncepta je nezmožnost razlage samega trenutka preskoka od kompleksnih organskih spojin do živih organizmov.
Eno od različic prehoda iz predbiološke v biološko evolucijo predlaga nemški znanstvenik M. Eigen. Po njegovi hipotezi je nastanek življenja razložen z medsebojnim delovanjem nukleinskih kislin in beljakovin. Nukleinske kisline so nosilci genetske informacije, beljakovine pa služijo kot katalizatorji kemičnih reakcij. Nukleinske kisline se same razmnožujejo in prenašajo informacije na beljakovine. Nastane zaprta veriga - hipercikel, v katerem se procesi kemičnih reakcij zaradi prisotnosti katalizatorjev in zastojev samopospešijo.
V hiperciklih reakcijski produkt hkrati deluje kot katalizator in začetni reaktant. Takšne reakcije imenujemo avtokatalitske.
Druga teorija, znotraj katere je mogoče pojasniti prehod iz predbiološke v biološko evolucijo, je sinergetika. Vzorci, ki jih odkriva sinergetika, omogočajo razjasnitev mehanizma nastanka organske snovi iz anorganske snovi v smislu samoorganizacije s spontanim nastankom novih struktur med interakcijo odprtega sistema z okoljem.
Opombe o teoriji o izvoru življenja in nastanku biosfere
Sodobna znanost je sprejela hipotezo o abiogenem (nebiološkem) izvoru življenja pod vplivom naravnih vzrokov kot rezultat dolgega procesa kozmičnega, geološkega in kemičnega razvoja - abiogeneze, katere osnova je bila hipoteza akademika A.I. Oparin. Koncept abiogeneze ne izključuje možnosti obstoja življenja v vesolju in njegovega kozmičnega nastanka na Zemlji.
Vendar pa na podlagi sodobnih znanstvenih dosežkov hipoteza A.I. Oparin predlaga naslednja pojasnila.
Življenje ni moglo nastati na površini (ali blizu nje) oceanske vode, saj je bila v tistih daljnih časih Luna veliko bližje Zemlji kot zdaj. Plimni valovi so morali biti ogromne višine in velike uničujoče moči. Protobionti preprosto niso mogli nastati v teh pogojih.
Zaradi odsotnosti ozonske plasti protobionti ne morejo obstajati pod vplivom močnega ultravijoličnega sevanja. To nakazuje, da bi se življenje lahko pojavilo le v vodnem stolpcu.
Zaradi posebnih pogojev se je življenje lahko pojavilo le v vodi prvobitnega oceana, vendar ne na površju, temveč na dnu v tankih filmih organske snovi, adsorbiranih na površine kristalov pirita in apatita, očitno v bližini geotermalnih izvirov. Ker je bilo ugotovljeno, da organske spojine nastajajo v produktih vulkanskih izbruhov, je bilo vulkansko delovanje pod oceanom v starih časih zelo aktivno. V starodavnem oceanu ni bilo raztopljenega kisika, ki bi lahko oksidiral organske spojine.
Danes velja, da so bili protobionti molekule RNK, ne pa DNK, saj je dokazano, da je proces evolucije šel od RNK do proteina in nato do nastanka molekule DNK, v kateri so bile C-H vezi močnejše od C-OH vezi v RNA. Vendar pa je jasno, da molekule RNA ne morejo nastati kot posledica gladkega evolucijskega razvoja. Verjetno je prišlo do preskoka z vsemi značilnostmi samoorganizacije materije, katerega mehanizem trenutno ni jasen.
Primarna biosfera v vodnem stolpcu je verjetno bogata s funkcionalno raznolikostjo. In prvi pojav življenja se ne bi smel zgoditi v obliki katere koli vrste organizmov, ampak v zbirki organizmov. Veliko primarnih biocenoz bi se moralo pojaviti takoj. Sestavljeni so iz najpreprostejših enoceličnih organizmov, ki so brez izjeme sposobni opravljati vse funkcije žive snovi v biosferi.
Ti najenostavnejši organizmi so bili heterotrofi (prehranjevali so se z že pripravljenimi organskimi spojinami), bili so prokarionti (organizmi brez jedra) in bili anaerobi (za vir energije so uporabljali fermentacijo kvasovk).
Zaradi posebnih lastnosti ogljika je življenje nastalo prav na tej podlagi. Vendar pa noben trenutni dokaz ne nasprotuje možnosti nastanka življenja, ki ni na osnovi ogljika.
Nekaj prihodnjih usmeritev za preučevanje izvora življenja
V 21. stoletju Da bi razjasnili problem izvora življenja, raziskovalci kažejo povečano zanimanje za dva predmeta - do Jupitrovega satelita, odprt leta 1610 G. Galilej. Od Zemlje je oddaljen 671.000 km. Njegov premer je 3100 km. Pokrita je z več kilometri ledu. Vendar pa je pod pokrovom ledu ocean in v njem so se morda ohranile najpreprostejše oblike starodavnega življenja.
Še en predmet - Vzhodno jezero, ki se imenuje reliktni rezervoar. Nahaja se na Antarktiki pod štirikilometrsko plastjo ledu. Naši raziskovalci so ga odkrili kot rezultat globokomorskega vrtanja. Trenutno se razvija mednarodni program, katerega cilj je prodreti v vode tega jezera, ne da bi pri tem motili njegovo reliktno čistost. Možno je, da tam obstajajo reliktni organizmi, stari več milijonov let.
Velik je tudi interes za jama odkrita v Romuniji, brez dostopa do svetlobe. Ko so vrtali vhod v to jamo, so odkrili obstoj slepih živih organizmov, kot so stenice, ki se hranijo z mikroorganizmi. Ti mikroorganizmi za svoj obstoj uporabljajo anorganske spojine, ki vsebujejo vodikov sulfid, ki prihaja iz notranjosti dna te jame. V to jamo ne prodre svetloba, je pa tam voda.
Posebej zanimivi so mikroorganizmi, nedavno odkrili ameriški znanstveniki med raziskavo eno od slanih jezer. Ti mikroorganizmi so izjemno odporni na svoje okolje. Lahko živijo tudi v čisto arzenovem okolju.
Veliko pozornosti pritegnejo tudi organizmi, ki živijo v tako imenovanih »črnih kadilcih« (slika 2.1).
riž. 2.1. »Črni kadilci« oceanskega dna (curek tople vode, prikazan s puščicami)
»Črni kadilci« so številni hidrotermalni vrelci, ki delujejo na oceanskem dnu in so omejeni na aksialne dele srednjeoceanskih grebenov. Od tega v oceane pod visokim pritiskom 250 atm. visoko mineralizirana topla voda(350 °C). Njihov prispevek k toplotnemu toku Zemlje je približno 20 %.
Hidrotermalni oceanski vrelci prenašajo raztopljene elemente iz oceanske skorje v oceane, spreminjajo skorjo in zelo pomembno prispevajo k kemiji oceanov. Skupaj s ciklom nastajanja oceanske skorje na oceanskih grebenih in njenega recikliranja v plašč hidrotermalna sprememba predstavlja dvostopenjski sistem za prenos elementov med plaščem in oceani. Oceanska skorja, reciklirana v plašč, je očitno odgovorna za nekatere heterogenosti plašča.
Hidrotermalni vrelci na srednjeoceanskih grebenih so dom nenavadnih bioloških skupnosti, ki pridobivajo energijo iz razgradnje spojin hidrotermalne tekočine (črni curek).
Oceanska skorja očitno vsebuje najgloblje dele biosfere, ki segajo do globine 2500 m.
Hidrotermalni vrelci pomembno prispevajo k toplotni bilanci Zemlje. Pod srednjimi grebeni se plašč najbolj približa površini. Morska voda prodira skozi razpoke v oceansko skorjo do precejšnje globine, zaradi toplotne prevodnosti se segreva s toploto plašča in koncentrira v komorah magme.
Poglobljena študija zgoraj naštetih "posebnih" objektov bo znanstvenike nedvomno pripeljala do bolj objektivnega razumevanja problematike izvora življenja na našem planetu in oblikovanja njegove biosfere.
Vendar je treba poudariti, da do danes življenje ni bilo eksperimentalno pridobljeno.
