Izvor življenja je obsežen znanstveni problem. V zadnjih 10 letih je bilo na voljo ogromno novih podatkov in raziskav. Danes še obstajajo nerešena vprašanja, a splošna slika o tem, kako je življenje lahko nastalo iz nežive snovi, postaja zelo hitro jasnejša. Toda kot veste, v znanosti vsak odgovor povzroči 10 novih vprašanj.
Modeli postopne evolucije iz anorganske spojine do prvih organizmov so zdaj dobro razviti. Toda zgodovina te številke sega v čas slavnega avtorja .
Angleški naravoslovec in raziskovalec o tem v svojih znanstvenih delih ni nič pisal in se ni resno ukvarjal s teorijami in hipotezami o nastanku življenja. Ta tema je presegala razumevanje znanosti 19. stoletja. Charles je govoril samo o tem, kako so prvi živi organizmi, ki so že obstajali, povzročili vso raznolikost bioloških oblik, ki jih vidimo.
Samo iz njegovih pisem najboljšemu prijatelju vemo, da je Darwin poskušal razmišljati o tej temi, vendar seveda na tej ravni znanja ni mogel posebej domnevati ničesar, razen najbolj splošne ideje, da bi nekako še lahko anorganska kemija, amonijeve soli, fosfor, z uporabo električne energije v majhnem toplem ribniku nastajajo organske snovi.
A pripomniti je treba, da je tudi v tem pismu marsikaj zelo natančno uganil. Kemiki so na primer odkrili verjetno pot za abiogeno sintezo nukleotidov, gradnikov RNK. Izkazalo se je, da se ti nukleotidi lahko spontano sintetizirajo v pogojih, podobnih tistim v majhnem toplem ribniku.
Izumljenih je bilo ogromno število različic izvora vsega življenja na Zemlji. Mnoge med njimi so si izmislili teoretiki zarote in psevdoznanstveniki. A kljub temu večina teorij temelji na resnična dejstva in raziskovanje.
Glavne teorije o nastanku življenja:
— kreacionizem;
- panspermija;
— teorija stabilnega stanja;
- spontana generacija;
- biokemična evolucija.
Kreacionistična hipoteza držijo ljudje, ki verjamejo, da je življenje ustvaril stvarnik, Bog, univerzalni um. Nima dokazov, njeno promocijo pa ne izvajajo znanstveniki, ampak novinarji, teologi in teologi. Pridružujejo se jim tudi ljudje, ki želijo s prevaro dodatno zaslužiti.
Ti isti kreacionisti še naprej trdijo, da je v vprašanju izvora ljudi skrivnost, saj arheologi ne morejo najti nekega manjkajočega člena, torej prehodne oblike iz pračlovek Kromanjonca do sodobnega homo sapiensa. Članki, ki jih je izjemno pomembno razumeti:
» 100 % človeški izvor: teorije in hipoteze
Teorija stabilnega stanja je, da so živa bitja skupaj z vesoljem in s tem celotnim svetom obstajala in bodo vedno obstajala, ne glede na čas. Poleg tega so telesa in tvorbe, ki izvirajo iz vesolja, kot so zvezde, planetarni sistemi in živi organizmi, časovno omejeni: rodijo se in umrejo.
Trenutno ima ta hipoteza le zgodovinski pomen in o njej v znanstvenih krogih že dolgo ni govora, saj jo je sodobna znanost ovrgla na ključni točki: vesolje je nastalo zaradi velikega poka in njegovega posledično širjenja. Pomemben članek na to temo v preprostem in razumljivem jeziku: 100% izvor in razvoj vesolja.
Teorija panspermiježe bolj znanstveno. Predpostavlja naslednje: živi organizmi so na naš planet prinesli vesoljska telesa, kot so meteoriti ali kometi. Nekateri posebej zasanjani podporniki so prepričani, da so NLP-ji in nezemljani to storili namerno in zasledovali svoje cilje.
V našem sončnem sistemu je verjetnost, da bi žive organizme našli še kje drugje, izredno majhna, vendar bi življenje lahko priletelo k nam iz drugega zvezdnega sistema. Astronomski podatki kažejo, da je glede na biokemijsko sestavo meteoritov, meteorjev in kometov v njih pogosto mogoče najti organske spojine, na primer aminokisline. Prav ti bi lahko postali semena, ko bi kozmično telo prišlo v stik z Zemljo, tako kot se regratova semena razpršijo na stotine metrov naokoli.
Glavna protiutež panspermističnim izjavam je logično vprašanje, od kod življenje na drugih planetih, s katerih je priletel ta isti asteroid ali komet. Tako lahko panspermična hipoteza o tujem izvoru živih organizmov le dopolnjuje glavno različico - biokemično.
Teorija abiogeneze skozi biokemično evolucijo preučuje in uspešno dokazuje nastanek organskih struktur iz anorganske snovi, zunaj telesa in brez uporabe posebnih encimov.
Sinteza najpreprostejših organskih spojin iz anorganske snovi lahko poteka v najrazličnejših naravnih pogojih: na planetu ali v vesolju (na primer v protoplanetarnem disku - proplid). Leta 1953 je bil izveden znameniti klasični Miller-Ureyjev eksperiment, ki je dokazal, da se organske snovi, kot so aminokisline, lahko pojavijo v mešanici različnih plinov, ki bi posnemali atmosfersko sestavo planeta.
V naravi, sčasoma izoblikoval pridobil sposobnost, da (mimogrede, danes je njegova sinteza pri ljudeh zelo težka). A to je glavni gradnik in prav v njem se skriva odgovor na vprašanje o nastanku življenja na Zemlji.
Zdaj je popolnoma jasno, kako je nastala molekula deoksiribonukleinske kisline. Sprva so biološka bitja temeljila na drugi podobni molekuli, imenovani RNA. Za dolgo časa obstajal je drug živi svet, v katerem so organizmi imeli dedno informacijo v obliki molekule ribonukleinske kisline, ki je delovala kot protein. Ta molekula je sposobna shranjevati dedne informacije, kot je DNK, in opravljati aktivno delo, kot so beljakovine.
V sodobnih celicah so te funkcije ločene – DNK shranjuje dedne informacije, proteini opravljajo delo, RNK pa služi kot nekakšen posrednik med njimi. V prvih starodavnih organizmih je bila samo RNA, ki je sama opravila obe nalogi.
Zanimiv vzorec pri vprašanju izvora vseh živih bitij je, da se je v zadnjih nekaj letih pojavilo na desetine novih znanstvenih člankov, ki nas čim bolj približajo rešitvi skrivnosti, in nobene druge teorije ali hipoteze o izvoru življenje, ki ni abiogeno.
Eno najpomembnejših vprašanj, ki je zaposlovalo misli znanstvenikov in navadni ljudje, je vprašanje nastanka in razvoja pestrosti življenjskih oblik na našem planetu.
Trenutno lahko teorije razvrstimo v eno od 5 velikih skupin:
- Kreacionizem.
- Spontano nastajanje življenja.
- Hipoteza o stabilnem stanju.
- Panspermija.
- Teorija evolucije.
Vsak od pojmov je na svoj način zanimiv in nenavaden, zato se morate z njimi vsekakor podrobneje seznaniti, saj je nastanek življenja vprašanje, na katerega želi vsak razmišljujoč človek vedeti odgovor.
Kreacionizem se nanaša na tradicionalno prepričanje, da je življenje ustvarilo neko najvišje bitje – Bog. Po tej različici je dokaz, da je vse življenje na Zemlji ustvaril višji um, ne glede na to, kako se imenuje, duša. Ta hipoteza je nastala v zelo davnih časih, še pred ustanovitvijo svetovnih religij, vendar znanost še vedno zanika preživetje te teorije o nastanku življenja, saj je prisotnost duše v ljudeh nedokazljiva, kar je glavni argument kreacionizma. apologeti.
Hipoteza o spontanem nastanku življenja se je pojavila na Vzhodu in so jo podpirali številni znani filozofi in misleci. Antična grčija in Rim. Po tej različici lahko življenje pod določenimi pogoji izvira iz anorganskih snovi in neživih predmetov. Na primer, v gnijočem mesu so lahko ličinke muh, v vlažnem blatu pa paglavci. Tudi ta pristop ne zdrži kritike znanstvene skupnosti.
Zdi se, da se je hipoteza pojavila skupaj s prihodom ljudi, saj nakazuje, da življenje ni nastalo - vedno je obstajalo v približno enakem stanju, kot je zdaj.
To teorijo podpirajo predvsem raziskave paleontologov, ki najdejo vse starejše dokaze o življenju na Zemlji. Res je, strogo gledano, ta hipoteza nekoliko izstopa iz te klasifikacije, saj se sploh ne dotika vprašanja, kot je izvor življenja.
Hipoteza o panspermiji je ena najbolj zanimivih in kontroverznih. Po tem konceptu kot posledica dejstva, da so bili na primer mikroorganizmi nekako vneseni na planet. Zlasti raziskava enega znanstvenika, ki je preučeval meteorit Efremovka in Murchisonsky, je pokazala prisotnost fosiliziranih ostankov mikroorganizmov v njihovi snovi. Potrditev teh študij pa ne obstaja.
V to skupino sodi tudi teorija paleokontakta, ki pravi, da je bil dejavnik, ki je sprožil nastanek življenja in njegov razvoj, obisk Zemlje nezemljanov, ki so na planet prinesli mikroorganizme ali ga celo posebej naselili. Ta hipoteza postaja vse bolj razširjena po vsem svetu.
Končno je ena najbolj priljubljenih razlag o nastanku življenja evolucijski nastanek in razvoj življenja na planetu. Ta proces še vedno poteka.
To so glavne hipoteze, ki poskušajo pojasniti izvor življenja in njegovo raznolikost. Nobenega od njih še ni mogoče nedvoumno sprejeti ali zavrniti. Kdo ve, morda bodo ljudje v prihodnosti vendarle rešili to uganko?
Znano je, da znanstvenih revijah poskušajo ne sprejeti za objavo člankov, posvečenih problemom, ki pritegnejo splošno pozornost, vendar nimajo jasne rešitve - resna publikacija o fiziki ne bo objavila projekta večnega gibanja. Ta tema je bila nastanek življenja na Zemlji. Vprašanje nastanka žive narave, videza človeka že tisočletja skrbi misleče ljudi in le kreacionisti - zagovorniki božanskega izvora vseh stvari - so našli dokončen odgovor, vendar ta teorija ni znanstvena, saj ne more biti preverjeno.
Pogledi starodavnih
Starodavni kitajski in starodavni indijski rokopisi pripovedujejo o nastanku živih bitij iz vode in gnilih ostankov; rojstvo dvoživk v blatnih sedimentih velikih rek je zapisano s staroegipčanskimi hieroglifi in klinopisom starega Babilona. Hipoteze o nastanku življenja na Zemlji s spontanim nastajanjem so bile očitne modrecem daljne preteklosti.
Starodavni filozofi so navajali tudi primere nastanka živali iz nežive snovi, vendar njihove teoretične utemeljitve so imeli različne narave: materialistične in idealistične. Demokrit (460-370 pr. n. št.) je našel vzrok življenja v posebna interakcija najmanjši, večni in nedeljivi delci – atomi. Platon (428-347 pr. n. št.) in Aristotel (384-322 pr. n. št.) sta nastanek življenja na Zemlji razlagala s čudežnim vplivom višjega principa na brezživo snov, ki je vselil duše v naravne predmete.
Ideja o obstoju nekaterih vitalnost«, ki spodbuja nastanek živih bitij, se je izkazalo za zelo vztrajnega. Oblikovala je poglede na nastanek življenja na Zemlji med številnimi znanstveniki, ki so živeli v srednjem veku in kasneje, vse do konca 19. stoletja.
Teorija spontanega nastajanja
Anthony van Leeuwenhoek (1632-1723) je z izumom mikroskopa naredil najmanjše mikroorganizme, ki jih je odkril, glavni predmet spora med znanstveniki, ki so si delili dve glavni teoriji o nastanku življenja na Zemlji - biogenezo in abiogenezo. Prvi je verjel, da so lahko vsa živa bitja produkt samo živih bitij, drugi pa, da je možno spontano nastajanje organske snovi v raztopinah v posebnih pogojih. Bistvo tega spora se do danes ni spremenilo.
Poskusi nekaterih naravoslovcev so dokazali možnost spontanega nastanka najpreprostejših mikroorganizmov, zagovorniki biogeneze pa so to možnost popolnoma zanikali. Louis Pasteur (1822-1895) strogo znanstvene metode je z visoko pravilnostjo svojih poskusov dokazal odsotnost mitske življenjske sile, ki se prenaša po zraku in ustvarja žive bakterije. Vendar pa je v svojih delih priznal možnost spontanega nastajanja pri nekaterih posebni pogoji, kar so morali ugotoviti znanstveniki prihodnjih generacij.
Teorija evolucije
Dela velikega Charlesa Darwina (1809-1882) so zamajala temelje mnogih naravne znanosti. Nastanek ogromne raznolikosti bioloških vrst iz enega skupnega prednika, ki ga je razglasil, je izvor življenja na Zemlji ponovno postavil za najpomembnejše vprašanje znanosti. Teorija naravne selekcije je na začetku težko našla svoje zagovornike in je zdaj predmet kritičnih napadov, ki se zdijo povsem razumni, vendar je darvinizem tisti, ki je osnova sodobne naravoslovne znanosti.
Po Darwinu biologija izvora življenja na Zemlji ni mogla obravnavati s prejšnjih pozicij. Znanstveniki iz številnih vej biološke znanosti so bili prepričani o resničnosti evolucijske poti razvoja organizmov. Naj se spremenijo na več načinov sodobni pogledi na skupnega prednika, ki ga je Darwin postavil na osnovo drevesa življenja, vendar je resnica splošnega koncepta neomajna.
Teorija stabilnega stanja
Laboratorijska zavrnitev spontanega nastajanja bakterij in drugih mikroorganizmov, zavedanje kompleksne biokemične zgradbe celice so skupaj z idejami darvinizma še posebej vplivali na nastanek alternativnih različic teorije o nastanku življenja na Zemlji. Leta 1880 je eno od novih sodb predlagal William Preyer (1841-1897). Verjel je, da ni treba govoriti o rojstvu življenja na našem planetu, saj obstaja večno in nima začetka kot takega, je nespremenljivo in nenehno pripravljeno na ponovno rojstvo v kakršnih koli primernih pogojih.
Ideje Preyerja in njegovih privržencev so povsem zgodovinsko-filozofskega pomena, saj so kasnejši astronomi in fiziki izračunali čas dokončnega obstoja planetarnih sistemov, zabeležili nenehno, a enakomerno širjenje vesolja, torej nikoli ni bilo večno ali konstantno.
Želja, da bi svet gledali kot enotno globalno živo bitje, je odmevala poglede velikega znanstvenika in filozofa iz Rusije Vladimirja Ivanoviča Vernadskega (1863-1945), ki je imel tudi svojo predstavo o izvoru življenja na Zemlji. Temeljilo je na razumevanju življenja kot sestavne značilnosti vesolja, kozmosa. Po Vernadskem je dejstvo, da znanost ni mogla najti plasti, ki ne vsebujejo sledi organskih snovi, govorilo o geološki večnosti življenja. Eden od načinov, kako se je življenje pojavilo na mladem planetu, je Vernadsky imenoval njegove stike z vesoljskimi predmeti - kometi, asteroidi in meteoriti. Tu se je njegova teorija združila z drugo različico, ki je nastanek življenja na Zemlji razlagala z metodo panspermije.
Zibelka življenja je vesolje
Panspermija (grško - »mešanica semen«, »semena povsod«) meni, da je življenje temeljna lastnost materije in ne pojasnjuje poti njegovega izvora, ampak kozmos imenuje vir življenjskih kalčkov, ki padejo na nebesna telesa ob ustreznih pogojih. za njihovo "kalitev".
Prvo omembo osnovnih pojmov panspermije najdemo v spisih starogrškega filozofa Anaksagore (500-428 pr. n. št.), v 18. stoletju pa je o njej govoril francoski diplomat in geolog Benoit de Maillet (1656-1738). Te ideje so obudili Svante August Arrhenius (1859-1927), Lord Kelvin William Thomson (1824-1907) in Hermann von Helmholtz (1821-1894).
Preučevanje krutega vpliva kozmičnega sevanja in temperaturnih pogojev medplanetarnega prostora na žive organizme je povzročilo, da takšne hipoteze o nastanku življenja na Zemlji niso preveč pomembne, vendar se je z začetkom vesoljske dobe zanimanje za panspermijo povečalo.
Leta 1973 Nobelov nagrajenec Francis Crick (1916-2004) je izrazil idejo o zunajzemeljski proizvodnji molekularnih živih sistemov in njihovem prihodu na Zemljo z meteoriti in kometi. Ob tem je možnosti abiogeneze na našem planetu ocenil kot zelo majhne. Nastanek in razvoj življenja na Zemlji po metodi samosestavljanja organskih snovi visoka stopnja ugledni znanstvenik tega ni upošteval kot resničnost.
Fosilizirane biološke strukture so našli v meteoritih po vsem planetu, podobne sledi pa so našli v vzorcih zemlje, ki so jih prinesli z Lune in Marsa. Po drugi strani pa se izvajajo številni poskusi obravnave bioloških struktur z vplivi, ki so možni, ko so v vesolju in ob prehajanju skozi atmosfero, podobno zemeljski.
Leta 2006 je bil v okviru misije Deep Impact izveden pomemben poskus. Komet Tempel je udarila posebna udarna sonda, ki jo je izstrelila avtomatska naprava. Analiza kometne snovi, ki se je sprostila ob udaru, je pokazala prisotnost vode in različnih organskih spojin v njej.
Zaključek: Teorija panspermije se je od svojega nastanka močno spremenila. Sodobna znanost različno interpretira tiste primarne elemente življenja, ki bi jih vesoljski objekti lahko prinesli na naš mladi planet. Raziskave in poskusi dokazujejo sposobnost preživetja živih celic med medplanetarnimi potovanji. Zaradi vsega tega je ideja o nezemeljskem izvoru zemeljskega življenja pomembna. Glavni koncepti izvora življenja na Zemlji so teorije, ki vključujejo panspermijo bodisi kot glavni del bodisi kot metodo dostave komponent na Zemljo za ustvarjanje žive snovi.
Oparin-Haldaneova teorija biokemijske evolucije
Zamisel o spontanem nastanku živih organizmov iz anorganskih snovi je vedno ostala skoraj edina alternativa kreacionizmu in leta 1924 je izšla 70-stranska monografija, ki je tej ideji dala moč dobro razvite in utemeljene teorije. To delo se je imenovalo "Izvor življenja", njegov avtor je bil ruski znanstvenik - Aleksander Ivanovič Oparin (1894-1980). Leta 1929, ko Oparinova dela še niso bila prevedena v angleški jezik, podobne koncepte o nastanku življenja na Zemlji je izrazil angleški biolog John Haldane (1860-1936).
Oparin je predlagal, da če se primitivno ozračje mladega planeta Zemlja reducira (torej ne vsebuje kisika), močan izbruh energije (kot je strela ali ultravijolično sevanje) lahko prispeva k sintezi organskih spojin iz ne organska snov. Kasneje lahko takšne molekule tvorijo strdke in skupke - koacervatne kapljice, ki so praorganizmi, okoli katerih nastanejo vodni jopiči - zametki lupine-membrane, pride do ločitve, pri čemer nastane razlika v naboju, kar pomeni gibanje - začetek presnove. , zametki metabolizma itd. Koacervati so veljali za osnovo za začetek evolucijskih procesov, ki so pripeljali do nastanka prvih oblik življenja.
Haldane je predstavil koncept "prvotne juhe" - začetnega zemeljskega oceana, ki je postal ogromen kemični laboratorij, povezan z močnim virom energije - sončno svetlobo. Kombinacija ogljikovega dioksida, amoniaka in ultravijoličnega sevanja je povzročila koncentrirano populacijo organskih monomerov in polimerov. Kasneje so bile takšne formacije združene s pojavom lipidne membrane okoli njih, njihov razvoj pa je privedel do nastanka žive celice.
Glavne faze nastanka življenja na Zemlji (po Oparin-Haldane)
Po teoriji o nastanku vesolja iz strdka energije, Veliki pok se je zgodilo pred približno 14 milijardami let, pred približno 4,6 milijarde let pa je bilo nastanek planetov končan solarni sistem.
Mlada Zemlja, ki se je postopoma ohlajala, je pridobila trda lupina, okoli katerega je potekal nastanek atmosfere. Primarna atmosfera je vsebovala vodno paro in pline, ki so kasneje služili kot surovine za organsko sintezo: ogljikov oksid in dioksid, vodikov sulfid, metan, amoniak in cianidne spojine.
Bombardiranje z vesoljskimi objekti, ki vsebujejo zmrznjeno vodo in kondenzacijo vodne pare v atmosferi, je povzročilo nastanek Svetovnega oceana, v katerem različni kemične spojine. Močne nevihte so spremljale nastanek atmosfere, skozi katero je prodrlo močno ultravijolično sevanje. V takih pogojih je prišlo do sinteze aminokislin, sladkorjev in drugih preprostih organskih snovi.
Ob koncu prve milijarde let obstoja Zemlje se je začel proces polimerizacije v vodi najpreprostejših monomerov v beljakovine (polipeptide) in nukleinske kisline (polinukleotide). Začele so tvoriti predbiološke spojine - koacervate (z zametki jedra, metabolizma in membrane).
3,5-3 milijarde let pred našim štetjem - stopnja nastanka protobiontov s samoreprodukcijo, regulirana menjava snovi, membrana s spremenljivo prepustnostjo.
3 milijarde let pr e. - pojav celičnih organizmov, nukleinskih kislin, primarnih bakterij, začetek biološke evolucije.
Eksperimentalni dokazi za hipotezo Oparin-Haldane
Številni znanstveniki so pozitivno ocenili osnovne koncepte nastanka življenja na Zemlji, ki temeljijo na abiogenezi, čeprav so že od samega začetka našli ozka grla in nedoslednosti v teoriji Oparin-Haldane. IN različne države Začelo se je z izvajanjem testnih študij hipoteze, med katerimi je najbolj znan klasični eksperiment, ki sta ga leta 1953 izvedla ameriška znanstvenika Stanley Miller (1930-2007) in Harold Urey (1893-1981).
Bistvo eksperimenta je bilo v laboratoriju simulirati razmere zgodnje Zemlje, v katerih bi lahko prišlo do sinteze najpreprostejših organskih spojin. V napravi je krožila mešanica plinov, ki je po sestavi podobna primarni zemeljski atmosferi. Zasnova naprave je omogočala imitacijo vulkanske aktivnosti, električni izpusti, ki so potekali skozi mešanico, pa so ustvarili učinek strele.
Po enotedenskem kroženju mešanice skozi sistem so opazili prehod desetine ogljika v organske spojine, odkrili so aminokisline, sladkorje, lipide in spojine pred aminokislinami. Ponovljeni in spremenjeni poskusi so v celoti potrdili možnost abiogeneze v simuliranih razmerah zgodnje Zemlje. V naslednjih letih so bili ponovni poskusi izvedeni v drugih laboratorijih. V sestavo mešanice plinov je bil dodan vodikov sulfid kot možna sestavina vulkanskih izpustov, narejene pa so bile tudi druge nedrastične spremembe. V večini primerov so bile izkušnje s sintezo organskih spojin uspešne, čeprav so bili poskusi iti dlje in pridobiti bolj zapletene elemente, ki se približujejo sestavi žive celice, neuspešni.
Svet RNK
Do konca 20. stoletja je mnogim znanstvenikom, ki jih problem izvora življenja na Zemlji nikoli ni prenehal zanimati, postalo jasno, da je teorija Oparin-Haldane z vso harmonijo teoretičnih konstrukcij in jasno eksperimentalno potrditvijo. očitne, morda nepremostljive napake. Glavna je bila nezmožnost razlage pojava v protobiontih lastnosti, ki opredeljujejo živi organizem - razmnoževanje ob ohranjanju dednih lastnosti. Z odkritjem genetske celične strukture, z določitvijo delovanja in strukture DNK se je z razvojem mikrobiologije pojavil nov kandidat za vlogo molekule prvobitnega življenja.
Postala je molekula ribonukleinske kisline – RNA. Ta makromolekula, ki je del vseh živih celic, je veriga nukleotidov - najpreprostejših organskih enot, sestavljenih iz atomov dušika, monosaharida - riboze in fosfatne skupine. Prav zaporedje nukleotidov je koda za dedno informacijo in pri virusih ima na primer RNK enako vlogo kot DNK v zapletenih celičnih strukturah.
Poleg tega so znanstveniki odkrili edinstvena sposobnost Nekatere molekule RNA vnašajo prekinitve v druge verige ali zlepijo posamezne elemente RNA, nekatere pa igrajo vlogo avtokatalizatorjev - torej prispevajo k hitri samoreprodukciji. Relativno majhna velikost makromolekule RNK in njena poenostavljena struktura v primerjavi z DNK (ena veriga) je naredila ribonukleinsko kislino glavnega kandidata za vlogo glavnega elementa predbioloških sistemov.
Končno nova teorija nastanek žive snovi na planetu je leta 1986 formuliral Walter Gilbert (rojen 1932), ameriški fizik, mikrobiolog in biokemik. Vsi strokovnjaki se niso strinjali s tem pogledom na nastanek življenja na Zemlji. Teorija o zgradbi predbiološkega sveta našega planeta, na kratko imenovana »RNK svet«, ne more odgovoriti na preprosto vprašanje, kako se je pojavila prva molekula RNK z danimi lastnostmi, tudi če je bila v njej prisotna ogromna količina »gradbenega materiala«. oblika nukleotidov itd.
PAH svet
Maja 2004 je odgovor poskušal najti Simon Nicholas Platts, leta 2006 pa skupina znanstvenikov pod vodstvom Pascale Ehrenfreund. Poliaromatski ogljikovodiki so bili predlagani kot začetni materiali za RNA s katalitičnimi lastnostmi.
Svet PAH je temeljil na visoki vsebnosti teh spojin v vidni prostor(verjetno so bili prisotni v »prvotni juhi« mlade Zemlje) in značilnosti njihove obročaste strukture, ki omogoča hitro povezavo z dušikovimi bazami - ključnimi sestavinami RNK. Teorija PAH ponovno govori o pomembnosti nekaterih določb panspermije.
Edinstveno življenje na edinstvenem planetu
Dokler se znanstveniki ne bodo imeli priložnosti vrniti 3 milijarde let nazaj, skrivnost izvora življenja na našem planetu ne bo razkrita - to je zaključek, do katerega pridejo mnogi tisti, ki so preučevali ta problem. Glavna pojma o nastanku življenja na Zemlji sta: teorija abiogeneze in teorija panspermije. Morda se prekrivajo na več načinov, vendar najverjetneje ne bodo mogli odgovoriti: kako se je sredi širnega vesolja pojavil presenetljivo natančno uravnotežen sistem od Zemlje in njenega satelita - Lune, kako je na njej nastalo življenje...
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 menijo, 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 odpira 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, ki se pojavljajo med električnimi razelektritvami v ozračju, so bili viri 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, ki se sproščajo iz staljene magme, zemeljsko površje različno kemične snovi, potrebne za sintezo organskih molekul. Da, molekule ogljikov monoksid, ko so na površini minerala pirita, ki ima katalitične lastnosti, lahko reagirajo s spojinami, ki imajo metilne skupine in tvorijo ocetno kislino, iz katere so 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 najverjetneje sestavljeno iz ogljikov dioksid in dušik. 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 je bil res prispevek zemeljskih procesov k ustvarjanju zalog primarne organske snovi tako zanemarljiv, od kod potem sploh izvira? Mogoče iz vesolja? Asteroidi, kometi, meteoriti in celo delci medplanetarnega prahu lahko prenašajo organske spojine, vključno z aminokislinami. Ti zunajzemeljski 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 samozadosten 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 najbolj primitiven živi sistem lahko predstavljajo molekule RNA, ki se podvojijo, 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, in ta struktura, bolj zaščitena pred zunanjimi vplivi, je služila kot prototip prvih celic, ki so ustvarile na 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 lahko prve oblike življenja pojavile milijone let, preden se je prenehalo obstreljevanje našega planeta z velikimi kozmičnimi telesi. Takrat pa 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 zunajzemeljskem 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 so izšle 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 - prokariontske (prenuklearne) enocelični organizmi, brez 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 izmed njih 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 snovi, ki vsebujejo žveplo, ter številne kemične spojine, ki so strupene 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 danes živijo v krajih z visoka temperatura. 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. Tako se je v tej »kemični kuhinji« več deset milijonov let pripravljala 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 ozračju in vodah, so anaerobne bakterije, za katere je uničujoč, 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. Do globine 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 verjamejo, da ko prazemlja Celin še ni bilo in nad gladino oceana so se dvigovali le arhipelagi vulkanov, plitve vode so bile polne stromatolitov.
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 v evkariontski celici delujejo kot tovarne energije, aerobne bakterije, kloroplasti pa rastlinske celice, v katerih poteka fotosinteza, 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 malo 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
Znano je, da znanstvene revije poskušajo ne sprejeti za objavo člankov, posvečenih problemom, ki pritegnejo splošno pozornost, vendar nimajo jasne rešitve - resna publikacija o fiziki ne bo objavila projekta za večni stroj. Ta tema je bila nastanek življenja na Zemlji. Vprašanje nastanka žive narave, videza človeka že tisočletja skrbi misleče ljudi in le kreacionisti - zagovorniki božanskega izvora vseh stvari - so našli dokončen odgovor, vendar ta teorija ni znanstvena, saj ne more biti preverjeno.
Pogledi starodavnih
Starodavni kitajski in starodavni indijski rokopisi pripovedujejo o nastanku živih bitij iz vode in gnilih ostankov; rojstvo dvoživk v blatnih sedimentih velikih rek je zapisano s staroegipčanskimi hieroglifi in klinopisom starega Babilona. Hipoteze o nastanku življenja na Zemlji s spontanim nastajanjem so bile očitne modrecem daljne preteklosti.
Tudi starodavni filozofi so navajali primere nastanka živali iz nežive snovi, vendar so bile njihove teoretične utemeljitve drugačne narave: materialistične in idealistične. Demokrit (460-370 pr. n. št.) je vzrok za nastanek življenja našel v posebni interakciji najmanjših, večnih in nedeljivih delcev – atomov. Platon (428-347 pr. n. št.) in Aristotel (384-322 pr. n. št.) sta nastanek življenja na Zemlji razlagala s čudežnim vplivom višjega principa na brezživo snov, ki je vselil duše v naravne predmete.
Ideja o obstoju nekakšne »življenjske sile«, ki prispeva k nastanku živih bitij, se je izkazala za zelo vztrajno. Oblikovala je poglede na nastanek življenja na Zemlji med številnimi znanstveniki, ki so živeli v srednjem veku in kasneje, vse do konca 19. stoletja.
Teorija spontanega nastajanja
Anthony van Leeuwenhoek (1632-1723) je z izumom mikroskopa naredil najmanjše mikroorganizme, ki jih je odkril, glavni predmet spora med znanstveniki, ki so si delili dve glavni teoriji o nastanku življenja na Zemlji - biogenezo in abiogenezo. Prvi je verjel, da so lahko vsa živa bitja produkt samo živih bitij, drugi pa, da je možno spontano nastajanje organske snovi v raztopinah v posebnih pogojih. Bistvo tega spora se do danes ni spremenilo.
Poskusi nekaterih naravoslovcev so dokazali možnost spontanega nastanka najpreprostejših mikroorganizmov, zagovorniki biogeneze pa so to možnost popolnoma zanikali. Louis Pasteur (1822-1895) je s strogo znanstvenimi metodami in visoko pravilnostjo svojih eksperimentov dokazal odsotnost mitske življenjske sile, ki se prenaša po zraku in ustvarja žive bakterije. Je pa v svojih delih dopuščal možnost spontanega nastajanja v nekih posebnih pogojih, ki so jih morali ugotoviti znanstveniki prihodnjih generacij.
Teorija evolucije
Dela velikega Charlesa Darwina (1809-1882) so zamajala temelje številnih naravoslovnih ved. Nastanek ogromne raznolikosti bioloških vrst iz enega skupnega prednika, ki ga je razglasil, je izvor življenja na Zemlji ponovno postavil za najpomembnejše vprašanje znanosti. Teorija naravne selekcije je na začetku težko našla svoje zagovornike in je zdaj predmet kritičnih napadov, ki se zdijo povsem razumni, vendar je darvinizem tisti, ki je osnova sodobne naravoslovne znanosti.
Po Darwinu biologija izvora življenja na Zemlji ni mogla obravnavati s prejšnjih pozicij. Znanstveniki iz številnih vej biološke znanosti so bili prepričani o resničnosti evolucijske poti razvoja organizmov. Čeprav so se sodobni pogledi na skupnega prednika, ki ga je Darwin postavil na osnovo drevesa življenja, v mnogih pogledih spremenili, je resnica splošnega koncepta neomajna.
Teorija stabilnega stanja
Laboratorijska zavrnitev spontanega nastajanja bakterij in drugih mikroorganizmov, zavedanje kompleksne biokemične zgradbe celice so skupaj z idejami darvinizma še posebej vplivali na nastanek alternativnih različic teorije o nastanku življenja na Zemlji. Leta 1880 je eno od novih sodb predlagal William Preyer (1841-1897). Verjel je, da ni treba govoriti o rojstvu življenja na našem planetu, saj obstaja večno in nima začetka kot takega, je nespremenljivo in nenehno pripravljeno na ponovno rojstvo v kakršnih koli primernih pogojih.
Ideje Preyerja in njegovih privržencev so povsem zgodovinsko-filozofskega pomena, saj so kasnejši astronomi in fiziki izračunali čas dokončnega obstoja planetarnih sistemov, zabeležili nenehno, a enakomerno širjenje vesolja, torej nikoli ni bilo večno ali konstantno.
Želja, da bi svet gledali kot enotno globalno živo bitje, je odmevala poglede velikega znanstvenika in filozofa iz Rusije Vladimirja Ivanoviča Vernadskega (1863-1945), ki je imel tudi svojo predstavo o izvoru življenja na Zemlji. Temeljilo je na razumevanju življenja kot sestavne značilnosti vesolja, kozmosa. Po Vernadskem je dejstvo, da znanost ni mogla najti plasti, ki ne vsebujejo sledi organskih snovi, govorilo o geološki večnosti življenja. Eden od načinov, kako se je življenje pojavilo na mladem planetu, je Vernadsky imenoval njegove stike z vesoljskimi predmeti - kometi, asteroidi in meteoriti. Tu se je njegova teorija združila z drugo različico, ki je nastanek življenja na Zemlji razlagala z metodo panspermije.
Zibelka življenja je vesolje
Panspermija (grško - »mešanica semen«, »semena povsod«) meni, da je življenje temeljna lastnost materije in ne pojasnjuje poti njegovega izvora, ampak kozmos imenuje vir življenjskih kalčkov, ki padejo na nebesna telesa ob ustreznih pogojih. za njihovo "kalitev".
Prvo omembo osnovnih pojmov panspermije najdemo v spisih starogrškega filozofa Anaksagore (500-428 pr. n. št.), v 18. stoletju pa je o njej govoril francoski diplomat in geolog Benoit de Maillet (1656-1738). Te ideje so obudili Svante August Arrhenius (1859-1927), Lord Kelvin William Thomson (1824-1907) in Hermann von Helmholtz (1821-1894).
Preučevanje krutega vpliva kozmičnega sevanja in temperaturnih pogojev medplanetarnega prostora na žive organizme je povzročilo, da takšne hipoteze o nastanku življenja na Zemlji niso preveč pomembne, vendar se je z začetkom vesoljske dobe zanimanje za panspermijo povečalo.
Leta 1973 je Nobelov nagrajenec Francis Crick (1916-2004) izrazil idejo o zunajzemeljski proizvodnji molekularnih živih sistemov in njihovem prihodu na Zemljo z meteoriti in kometi. Ob tem je možnosti abiogeneze na našem planetu ocenil kot zelo majhne. Ugledni znanstvenik nastanka in razvoja življenja na Zemlji po metodi samosestavljanja organske snovi na visoki ravni ni štel za realnost.
Fosilizirane biološke strukture so našli v meteoritih po vsem planetu, podobne sledi pa so našli v vzorcih zemlje, ki so jih prinesli z Lune in Marsa. Po drugi strani pa se izvajajo številni poskusi obravnave bioloških struktur z vplivi, ki so možni, ko so v vesolju in ob prehajanju skozi atmosfero, podobno zemeljski.
Leta 2006 je bil v okviru misije Deep Impact izveden pomemben poskus. Komet Tempel je udarila posebna udarna sonda, ki jo je izstrelila avtomatska naprava. Analiza kometne snovi, ki se je sprostila ob udaru, je pokazala prisotnost vode in različnih organskih spojin v njej.
Zaključek: Teorija panspermije se je od svojega nastanka močno spremenila. Sodobna znanost različno razlaga tiste primarne elemente življenja, ki bi jih vesoljski objekti lahko prinesli na naš mladi planet. Raziskave in poskusi dokazujejo sposobnost preživetja živih celic med medplanetarnimi potovanji. Zaradi vsega tega je ideja o nezemeljskem izvoru zemeljskega življenja pomembna. Glavni koncepti izvora življenja na Zemlji so teorije, ki vključujejo panspermijo bodisi kot glavni del bodisi kot metodo dostave komponent na Zemljo za ustvarjanje žive snovi.
Oparin-Haldaneova teorija biokemijske evolucije
Zamisel o spontanem nastanku živih organizmov iz anorganskih snovi je vedno ostala skoraj edina alternativa kreacionizmu in leta 1924 je izšla 70-stranska monografija, ki je tej ideji dala moč dobro razvite in utemeljene teorije. To delo se je imenovalo "Izvor življenja", njegov avtor je bil ruski znanstvenik - Aleksander Ivanovič Oparin (1894-1980). Leta 1929, ko Oparinova dela še niso bila prevedena v angleščino, je podobne koncepte o nastanku življenja na Zemlji izrazil angleški biolog John Haldane (1860-1936).
Oparin je predlagal, da bi lahko močan izbruh energije (kot je strela ali ultravijolično sevanje) spodbudil sintezo organskih spojin iz anorganske snovi, če bi se primitivno ozračje mladega planeta Zemlja reduciralo (to pomeni, da ne bi vsebovalo kisika). Kasneje lahko takšne molekule tvorijo strdke in skupke - koacervatne kapljice, ki so praorganizmi, okoli katerih nastanejo vodni jopiči - zametki lupine-membrane, pride do ločitve, pri čemer nastane razlika v naboju, kar pomeni gibanje - začetek presnove. , zametki metabolizma itd. Koacervati so veljali za osnovo za začetek evolucijskih procesov, ki so pripeljali do nastanka prvih oblik življenja.
Haldane je predstavil koncept "prvotne juhe" - začetnega zemeljskega oceana, ki je postal ogromen kemični laboratorij, povezan z močnim virom energije - sončno svetlobo. Kombinacija ogljikovega dioksida, amoniaka in ultravijoličnega sevanja je povzročila koncentrirano populacijo organskih monomerov in polimerov. Kasneje so bile takšne formacije združene s pojavom lipidne membrane okoli njih, njihov razvoj pa je privedel do nastanka žive celice.
Glavne faze nastanka življenja na Zemlji (po Oparin-Haldane)
Po teoriji o nastanku vesolja iz strdka energije se je veliki pok zgodil pred približno 14 milijardami let, pred približno 4,6 milijarde let pa je bilo dokončano ustvarjanje planetov sončnega sistema.
Mlada Zemlja, ki se je postopoma ohlajala, je dobila trdno lupino, okoli katere je nastala atmosfera. Primarna atmosfera je vsebovala vodno paro in pline, ki so kasneje služili kot surovine za organsko sintezo: ogljikov oksid in dioksid, vodikov sulfid, metan, amoniak in cianidne spojine.
Bombardiranje z vesoljskimi objekti, ki vsebujejo zmrznjeno vodo in kondenzacija vodne pare v ozračju, je povzročilo nastanek Svetovnega oceana, v katerem so se raztopile različne kemične spojine. Močne nevihte so spremljale nastanek atmosfere, skozi katero je prodrlo močno ultravijolično sevanje. V takih pogojih je prišlo do sinteze aminokislin, sladkorjev in drugih preprostih organskih snovi.
Ob koncu prve milijarde let obstoja Zemlje se je začel proces polimerizacije v vodi najpreprostejših monomerov v beljakovine (polipeptide) in nukleinske kisline (polinukleotide). Začele so tvoriti predbiološke spojine - koacervate (z zametki jedra, metabolizma in membrane).
3,5-3 milijarde let pred našim štetjem - stopnja nastanka protobiontov s samoreprodukcijo, urejenim metabolizmom in membrano s spremenljivo prepustnostjo.
3 milijarde let pr e. - pojav celičnih organizmov, nukleinskih kislin, primarnih bakterij, začetek biološke evolucije.
Eksperimentalni dokazi za hipotezo Oparin-Haldane
Številni znanstveniki so pozitivno ocenili osnovne koncepte nastanka življenja na Zemlji, ki temeljijo na abiogenezi, čeprav so že od samega začetka našli ozka grla in nedoslednosti v teoriji Oparin-Haldane. V različnih državah se je začelo delo na izvajanju testnih študij hipoteze, od katerih je najbolj znan klasični eksperiment, ki sta ga leta 1953 izvedla ameriška znanstvenika Stanley Miller (1930-2007) in Harold Urey (1893-1981).
Bistvo eksperimenta je bilo v laboratoriju simulirati razmere zgodnje Zemlje, v katerih bi lahko prišlo do sinteze najpreprostejših organskih spojin. V napravi je krožila mešanica plinov, ki je po sestavi podobna primarni zemeljski atmosferi. Zasnova naprave je omogočala imitacijo vulkanske aktivnosti, električni izpusti, ki so potekali skozi mešanico, pa so ustvarili učinek strele.
Po enotedenskem kroženju mešanice skozi sistem so opazili prehod desetine ogljika v organske spojine, odkrili so aminokisline, sladkorje, lipide in spojine pred aminokislinami. Ponovljeni in spremenjeni poskusi so v celoti potrdili možnost abiogeneze v simuliranih razmerah zgodnje Zemlje. V naslednjih letih so bili ponovni poskusi izvedeni v drugih laboratorijih. V sestavo mešanice plinov je bil dodan vodikov sulfid kot možna sestavina vulkanskih izpustov, narejene pa so bile tudi druge nedrastične spremembe. V večini primerov so bile izkušnje s sintezo organskih spojin uspešne, čeprav so bili poskusi iti dlje in pridobiti bolj zapletene elemente, ki se približujejo sestavi žive celice, neuspešni.
Svet RNK
Do konca 20. stoletja je mnogim znanstvenikom, ki jih problem izvora življenja na Zemlji nikoli ni prenehal zanimati, postalo jasno, da je teorija Oparin-Haldane z vso harmonijo teoretičnih konstrukcij in jasno eksperimentalno potrditvijo. očitne, morda nepremostljive napake. Glavna je bila nezmožnost razlage pojava v protobiontih lastnosti, ki opredeljujejo živi organizem - razmnoževanje ob ohranjanju dednih lastnosti. Z odkritjem genetskih celičnih struktur, z določitvijo delovanja in zgradbe DNK, z razvojem mikrobiologije se je pojavil nov kandidat za vlogo molekule prvobitnega življenja.
Postala je molekula ribonukleinske kisline – RNA. Ta makromolekula, ki je del vseh živih celic, je veriga nukleotidov - najpreprostejših organskih enot, sestavljenih iz atomov dušika, monosaharida - riboze in fosfatne skupine. Prav zaporedje nukleotidov je koda za dedno informacijo in pri virusih ima na primer RNK enako vlogo kot DNK v zapletenih celičnih strukturah.
Poleg tega so znanstveniki odkrili edinstveno sposobnost nekaterih molekul RNK, da uvajajo prekinitve v druge verige ali lepijo posamezne elemente RNK, nekateri pa igrajo vlogo avtokatalizatorjev - torej prispevajo k hitri samoreprodukciji. Relativno majhna velikost makromolekule RNK in njena poenostavljena struktura v primerjavi z DNK (ena veriga) je naredila ribonukleinsko kislino glavnega kandidata za vlogo glavnega elementa predbioloških sistemov.
Novo teorijo o nastanku žive snovi na planetu je leta 1986 dokončno oblikoval Walter Gilbert (rojen 1932), ameriški fizik, mikrobiolog in biokemik. Vsi strokovnjaki se niso strinjali s tem pogledom na nastanek življenja na Zemlji. Teorija o zgradbi predbiološkega sveta našega planeta, na kratko imenovana »RNK svet«, ne more odgovoriti na preprosto vprašanje, kako se je pojavila prva molekula RNK z danimi lastnostmi, tudi če je bila v njej prisotna ogromna količina »gradbenega materiala«. oblika nukleotidov itd.
PAH svet
Maja 2004 je odgovor poskušal najti Simon Nicholas Platts, leta 2006 pa skupina znanstvenikov pod vodstvom Pascale Ehrenfreund. Poliaromatski ogljikovodiki so bili predlagani kot začetni materiali za RNA s katalitičnimi lastnostmi.
Svet PAH je temeljil na veliki številčnosti teh spojin v vidnem prostoru (verjetno so bile prisotne v »prvotni juhi« mlade Zemlje) in posebnostih njihove obročaste strukture, ki omogoča hitro spajanje z dušikovimi bazami - ključne komponente RNA. Teorija PAH ponovno govori o pomembnosti nekaterih določb panspermije.
Edinstveno življenje na edinstvenem planetu
Dokler se znanstveniki ne bodo imeli priložnosti vrniti 3 milijarde let nazaj, skrivnost izvora življenja na našem planetu ne bo razkrita - to je zaključek, do katerega pridejo mnogi tisti, ki so preučevali ta problem. Glavna pojma o nastanku življenja na Zemlji sta: teorija abiogeneze in teorija panspermije. Morda se na več načinov prekrivajo, vendar najverjetneje ne bodo mogli odgovoriti: kako se je sredi širnega vesolja pojavil neverjetno natančno uravnotežen sistem Zemlje in njenega satelita Lune, kako je nastalo življenje. na njem ...
