Абиогенез — определение, суть теории, доказательства и примеры

Определение

Как возникла жизнь на Земле? Когда все это началось? Эти вопросы оставались загадкой на протяжении тысячелетий человеческой истории. Мы знаем, что Земле около 4,5 миллиардов лет, и что первые бактерии уже заселили нашу планету более 3,5 миллиардов лет назад. Теория эволюции дает нам объяснение того, как жизнь началась с одноклеточных бактерий и распространилась на миллионы видов животных, растений, грибов и бактерий. Но откуда взялась первая живая клетка?

Абиогенез — это научная теория, которая утверждает, что жизнь на Земле возникла спонтанно и естественным образом в результате существовавших в то время условий. Другими словами, живая материя возникла из неживой материи.

Абиогенез предполагает, что первые созданные формы жизни были очень примитивными и постепенно усложнялись. Биогенезу, при котором жизнь возникает в результате воспроизводства другой жизни, предположительно, предшествовал абиогенез, который стал невозможен, когда атмосфера Земли приняла свой нынешний состав.

Проблема полимеров

Клеточные белки, ДНК, РНК — все это полимеры, очень длинные молекулы, похожие на нити. Структура полимеров довольно проста; они состоят из частей, повторяющихся в определенном порядке. Например, целлюлоза — самая распространенная молекула в мире, обнаруженная в растениях. Одна молекула целлюлозы состоит из десятков тысяч атомов углерода, водорода и кислорода, но в то же время представляет собой не что иное, как несколько повторений более коротких молекул глюкозы, связанных между собой, как в ожерелье.

Белки представляют собой цепочки аминокислот. ДНК и РНК представляют собой последовательность нуклеотидов. Кроме того, в целом это очень длинные последовательности. Таким образом, расшифрованный геном человека состоит из 3 миллиардов пар нуклеотидов.

Внутри клетки полимеры непрерывно производятся посредством сложных матричных химических реакций. Чтобы получить белок, нужно удалить гидроксильную группу ОН у одной аминокислоты с одного конца и атом водорода с другого, и только потом «приклеивать» следующую аминокислоту. Легко видеть, что в этом процессе снова и снова образуется вода. Освобождение от воды, обезвоживание — очень древний процесс, ключ к зарождению жизни.

Как это произошло, когда не было клетки со своей фабрикой по производству белка? Проблема возникает и с теплым мелководным водоемом – колыбелью живых систем. Ведь при полимеризации необходимо удалить воду, а это невозможно, если ее вокруг много.

Ранняя Земля

Представьте себе безжизненную Землю: постоянные извержения вулканов, сильные грозы, кипящие океаны, частые землетрясения и атмосфера с высоким содержанием токсичных газов.

Так как и почему в таких условиях возникла жизнь? Эта тема интересовала многих исследователей, желавших найти достоверный ответ на столь важный вопрос.

Ненаучно: Духи, боги, первопредки

Любые космологические мифы о происхождении мира всегда венчаются антропогоническими – о происхождении человека. И в этих фантазиях можно только позавидовать воображению античных авторов: на вопрос о том, где, как и почему возник космос, где и как появилась жизнь – и люди, версии звучали очень разные и почти всегда красивые. Растения, рыбы и животные были выловлены со дна океана огромным вороном, люди выползали, как черви, из тела первопредка Паньгу, слепились из глины и пепла и рождались от браков богов и чудовищ. Все это удивительно поэтично, но к науке, конечно, не имеет никакого отношения.

Научно: Черные курильщики

Фактически ультрафиолетовое излучение на молодой Земле, атмосфера которой еще не содержала кислорода и не имела такого замечательного явления, как озоновый слой, должно было быть губительным для любой зарождающейся жизни. Отсюда выросло предположение, что хрупкие предки живых организмов были вынуждены где-то существовать, спрятавшись от непрерывного потока лучей, стерилизовавших все. Например, глубоко под водой – конечно, там, где достаточно минералов, перемешивания, тепла и энергии для химических реакций. И такие места нашлись.

К концу ХХ века стало ясно, что морское дно не может быть пристанищем для средневековых монстров: условия здесь слишком суровы, температура низкая, нет радиации, а редкая органика может оседать только из недр поверхность. На самом деле это огромные полупустыни – за некоторыми примечательными исключениями: тут же, глубоко под водой, возле истоков геотермальных источников, жизнь буквально кипит. Черная вода, насыщенная сульфидами, горячая, сильно взволнованная и содержит много минералов.

Черные курильщики моря — это очень богатые и своеобразные экосистемы: питающиеся ими бактерии используют железо-серные реакции, о которых мы уже говорили. Они являются основой вполне процветающей жизни, включая множество уникальных червей и креветок. Возможно, именно они послужили основой зарождения жизни на планете: по крайней мере теоретически, такие системы содержат все необходимое для этого.

Теория условий: количественные исследования синтеза

Важным клеточным веществом является фосфор, содержащийся в фосфорилированных органических молекулах, входящих в состав нуклеиновых кислот, аденозинтрифосфатов и др. источниками достаточного количества этого вещества являются вулканы и горячие геотермальные источники. Они содержат фосфиты, пирофосфаты или оксиды фосфора.

При растворении эти соединения образуют молекулы в форме, подходящей для сахарофосфатов и нуклеотидов. При кипении минеральной воды растворенные соединения отделяются, часть из них испаряется вместе с водой и выходит в грязевые котлы. Из-за такого разделения металлов поднимающийся пар магмы содержит соли боратов, калия, натрия и молибдена в той же концентрации, что и в органической клетке.

Исследования проводились с использованием солей бора, в которых образуются, осаждаются комплексы 5/6-углеродных сахаров и накапливаются молекулы с двумя соседними гидроксильными группами. При добавлении гидроксиапатита в такую ​​смесь на поверхности откладывается рибоза 1819, а соли молибдена превращают разветвленные сахара в линейные, увеличивая синтез. Почувствуйте, как густо и тепло знания стекают по вашей шее, ведь грязевые горшки обогащены всеми ранее описанными элементами, а потому кажутся одним из наиболее вероятных мест зарождения жизни, обладающим сразу несколькими преимуществами:

• Условия, богатые незаменимыми микроэлементами;
• Источник тепла с постоянным соотношением;
• Пористые минеральные отложения, действующие как катализаторы и места репликации органических соединений;
• Локальное испарение за счет концентрации веществ, солей и кислот, при котором происходит образование цепей РНК;
• Несколько способов получения органических молекул;
• Фотохимические реакции и близлежащие защищенные поры;
• Нагрев пор, в которых накапливаются нуклеотиды и РНК в высоких концентрациях.

Подведение итогов

Теория абиогенеза утверждает, что жизнь возникла самопроизвольно при определенных условиях из неживой материи. Как исследователи пришли к этой гипотезе? Эксперименты показывают, что органические молекулы, нуклеотиды РНК и клеточные мембраны могут образовываться спонтанно в условиях, аналогичных условиям ранней Земли. РНК — это нуклеиновая кислота, которая может действовать как генетическая библиотека и катализировать реакции, поэтому вполне вероятно, что первая жизнь на Земле могла функционировать исключительно за счет РНК. За миллионы лет эти молекулы РНК развили новые каталитические способности и в конечном итоге превратились в сложные клетки, которые мы знаем сегодня.

Абиогенез. Это относится к серии процессов и стадий, в ходе которых возникли первые формы жизни на Земле, начиная с инертных мономерных блоков, которым со временем удалось увеличить свою сложность. В свете этой теории жизнь возникла из неживых молекул при подходящих условиях.

Вполне вероятно, что после того, как абиогенез породит простые жизненные системы, биологическая эволюция приведет к возникновению всех сложных форм жизни, существующих сегодня..

Некоторые ученые полагают, что процессы абиогенеза должны были произойти хотя бы один раз в истории Земли, чтобы дать начало гипотетическому организму LUCA, или Last Universal Common Ancestor (сокращенно на английском языке, Last Universal Common Ancestor), около 4 миллиардов лет назад.

LUCA должен иметь генетический код, основанный на молекуле ДНК, которая с четырьмя основаниями, сгруппированными в триплеты, кодифицирует 20 типов аминокислот, образующих белки. Ученые, пытающиеся понять происхождение жизни, изучают процессы абиогенеза, породившие LUCA.

Ответ на этот вопрос задавался много и часто был скрыт в тумане и неопределенности. По этой причине сотни биологов предложили ряд теорий, начиная от возникновения первобытного супа и заканчивая объяснениями, связанными с биологией инопланетян и астробиологией.

Самые древние микробы

Черные сланцы Западной Австралии возрастом 3,5 миллиарда лет содержат останки древнейших организмов, когда-либо обнаруженных на Земле. Шарики и волокна, видимые только под микроскопом, принадлежат прокариотам — микробам, клетки которых еще не имеют ядра и спираль ДНК заложена непосредственно в цитоплазме.

Самые старые окаменелости были обнаружены в 1993 году американским палеобиологом Уильямом Шопфом. Вулканические и осадочные породы комплекса Пилбара, расположенного к западу от Большой песчаной пустыни Австралии, являются одними из старейших пород на Земле. По счастливому стечению обстоятельств эти образования не сильно изменились под воздействием мощных геологических процессов и сохранили в прослоях останки ранних существ.

В прошлом было трудно проверить, что маленькие шарики и нити были живыми организмами. Серия мелких жемчужин в камне может быть чем угодно: минералами, небиологической органикой, оптической иллюзией. Всего Шопф насчитал 11 типов окаменелостей, относящихся к прокариотам. Из них 6 — это, по мнению исследователя, цианобактерии, или сине-зеленые водоросли. Подобные виды до сих пор существуют на Земле в пресных водоемах и океанах, в горячих источниках и вблизи вулканов. Шопф насчитал шесть признаков, по которым подозрительные предметы в черных сланцах следует считать живыми.

Это признаки:

1. Окаменелости состоят из органического вещества
2. Имеют сложное строение – волокна состоят из ячеек разной формы: цилиндров, коробочек, дисков
3. Артефактов очень много – всего 200 окаменелостей включают 1900 клеток
4. Предметы похожи друг на друга, как современные представители одной и той же популяции
5. Это были организмы, хорошо приспособленные к условиям ранней Земли. Они жили на дне океана, защищенные от ультрафиолета толстым слоем воды и слизи
6. Объекты размножаются подобно современным бактериям, о чем свидетельствуют находки клеток на стадии деления.

Открытие таких древних цианобактерий означает, что почти 3,5 миллиарда лет назад существовали организмы, которые потребляли углекислый газ и производили кислород, были способны прятаться от солнечной радиации и восстанавливаться после повреждений, как это делают современные виды. Биосфера уже начала формироваться. Для науки это пикантный момент. Как признается Уильям Шопф, среди столь почтенных рас он предпочел бы найти более примитивных существ.

В конце концов, открытие древних цианобактерий отодвигает начало жизни в период, который навсегда стерт из геологической истории; маловероятно, что геологи когда-нибудь смогут его обнаружить и прочитать. Чем старше были породы, тем дольше они находились под давлением, температурой и выветривались. Помимо Западной Австралии, на планете есть только одно место с очень древними породами, где можно найти окаменелости, — на востоке Южной Африки в Королевстве Свазиленд. Но африканские породы за миллиарды лет претерпели кардинальные изменения, и следы древних организмов были утеряны.

До сих пор геологи не нашли зарождения жизни в земных породах. Строго говоря, они вообще не могут назвать тот промежуток времени, когда живых организмов еще не существовало. Они не могут проследить ранние этапы эволюции живых существ, вплоть до 3,5 миллиардов лет назад. Во многом из-за отсутствия геологических доказательств тайна происхождения жизни остается неразгаданной.

Реалист и сюрреалист

Первая конференция Международного общества изучения происхождения жизни (ISSOL) состоялась в 1973 году в Барселоне. Эмблему этой конференции разработал Сальвадор Дали. Вот как это было. С художником дружил Джон Оро, американский биохимик. В 1973 году они встретились в Париже, поужинали у Максима и посетили лекцию по голографии. После лекции Дали неожиданно пригласил учёного на следующий день приехать к нему в отель. Пришел Оро, и Дали подарил ему рисунок, символизирующий проблему киральности в живых системах.

Два кристалла растут из фонтанирующей лужи в форме перевернутых песочных часов, что указывает на последнее время эволюции. Слева сидит женская фигура, справа стоит мужчина, держа в руках крыло бабочки, а между кристаллами вьется ДНК-червь. Левый и правый кристаллы кварца, показанные на рисунке, взяты из книги Опарина 1957 года «Происхождение жизни на Земле». К удивлению учёного, Дали хранил эту книгу в своей комнате!

После конференции Опарины отправились в гости к Дали, на побережье Каталонии. Обе знаменитости жаждали пообщаться. Между реалистом и сюрреалистом завязался долгий разговор, оживленный языком мимики и жестов — ведь Опарин говорил только по-русски.

Теория Опарина — Холдейна

В 1920-е годы британский учёный Холдейн, Джон Бердон Сандерсон и русский биохимик Александр Опарин независимо выдвинули схожие идеи относительно условий, необходимых для возникновения жизни на Земле. Оба считали, что органические молекулы могут образовываться из абиогенных материалов в присутствии внешнего источника энергии (например, ультрафиолетового излучения) и что примитивная атмосфера содержала очень мало свободного кислорода и содержала аммиак, водяной пар, водород и метан.

Оба также подозревали, что первые формы жизни возникли в теплом примитивном океане и были гетеротрофными (получив предварительно сформированные питательные вещества из соединений, присутствующих на ранней Земле), а не автотрофными (синтезирующими питательные вещества из солнечного света или неорганического вещества).

Опарин считал, что жизнь возникла из коацерватов, микроскопически спонтанно образовавшихся сферических агрегатов липидных молекул, которые удерживались вместе электростатическими силами и могли быть предшественниками клеток. Работа Опарина с коацерватами подтвердила, что ферменты, лежащие в основе биохимических метаболических реакций, работают более эффективно, когда они содержатся в связанных с мембраной сферах, чем когда они свободны в водных растворах.

Холдейн, незнакомый с коацерватами Опарина, считал, что сначала образуются простые органические молекулы, а в присутствии ультрафиолета они становятся все более сложными, образуя в конечном итоге клетки. Идеи Холдейна и Опарина легли в основу многих исследований абиогенеза, проведенных в последующие десятилетия.

Эксперимент Миллера — Юри

В 1953 году американские химики Гарольд Клейтон Юри и Стэнли Миллер проверили теорию Опарина-Холдейна. В своем эксперименте они использовали аппарат с колбой, наполненной водой и химическими веществами, которые, как полагают, существовали на ранней Земле. Ученые обнаружили, что эти химические вещества при определенных условиях самопроизвольно образуют органические молекулы. Эксперимент предполагает, что органические молекулы могли образоваться на молодой Земле самопроизвольно, послужив основой для возникновения первых живых существ.

Некоторые учёные считают, что условия эксперимента Миллера-Юри не соответствовали реальным, однако последующие эксперименты с изменённой атмосферой показали аналогичные результаты спонтанного образования аминокислот, липидов и нуклеотидов.

РНК: энергия липидной мембраны

Вернемся к теме липидов. Связывающие электроны молекулы воды смещаются из-за большей электроотрицательности кислорода. В результате одна сторона молекулы имеет положительный заряд, а другая – отрицательный. Поэтому вещества с полярными молекулами (гидрофильные) притягиваются и смешиваются с водой, а неполярные молекулы (гидрофобные) — нет. В живых организмах клетки окружены мембраной из двух слоев липидов; при смешивании их молекул в воде получается эмульсионная суспензия, а не раствор.

Внешняя сторона мембраны имеет положительный заряд, а внутренняя – отрицательный. Этот электрический потенциал используется при передаче и хранении энергии, а также при транспортировке веществ вместе с протонами для компенсации заряда мембраны.

РНК пришла первой

В течение многих лет ученые спорили, что важнее: ДНК или РНК. ДНК служит основным средством хранения генетической информации. РНК — это рибонуклеиновая кислота, которая может действовать как генетическая библиотека и катализировать реакции. Эта способность делает РНК идеальным кандидатом на возникновение первой жизни на Земле.

Так откуда же взялась РНК? Может ли РНК образовываться спонтанно? Сначала рассмотрим структуру РНК, состоящую из четырех нуклеотидных оснований:

1. Аденин
2. Гуанин
3. Цитозин
4. Урацил

Эти четыре нуклеотида являются строительными блоками РНК. Если их удастся спонтанно синтезировать в условиях ранней Земли, большая часть загадки возникновения жизни может быть решена. Недавно было обнаружено, что некоторые молекулы действительно могут образовывать все четыре нуклеотида в присутствии ультрафиолетового излучения или солнечного света.

Глиняный ген

Должно быть, в первозданном бульоне было что-то, что помогало живой системе зародиться, ускоряя этот процесс и давая энергию. Английский кристаллограф Джон Бернал в 50-х годах XX века предположил, что таким помощником может служить обычная глина, которой в изобилии покрыто дно любого водоема. Глинистые минералы способствовали образованию биополимеров и возникновению механизма наследования. Гипотеза Бернала с годами окрепла и привлекла множество последователей.

Оказалось, что частицы глины, облученные ультрафиолетовой энергией, запасают образовавшийся запас энергии, который используется для реакции составления биополимера. В присутствии глины мономеры собираются в самовоспроизводящиеся молекулы, что-то вроде РНК.

Большинство глинистых минералов по структуре сходны с полимерами. Они состоят из большого количества слоев, соединенных друг с другом слабыми химическими связями. Такая минеральная полоса растет сама по себе, каждый последующий слой повторяет предыдущий, а иногда возникают дефекты – мутации, как в настоящих генах. Шотландский химик А. Дж. Кернс-Смит утверждал, что первым организмом на Земле был именно «ген глины».

Попадая между слоями глинистых частиц, органические молекулы взаимодействовали с ними, перенимали способ хранения информации и роста, можно сказать, учились. Какое-то время минералы и протожизнь мирно сосуществовали, но вскоре произошел разрыв, или, по мнению Кернса-Смита, генетический захват, после которого жизнь покинула минеральный дом и начала собственную эволюцию.

РНК: эволюция информации с помощью репликаторов

Ненаучно: Вечное возвращение

«Фирменное» представление индийской философии, в западной философии связанное с произведениями Иммануила Канта, Фридриха Ницше и Мирчи Элиаде. Поэтическая картина вечного странствования каждой живой души по бесконечному множеству миров и их обитателей, перерождения ее то в ничтожное насекомое, то в возвышенного поэта, то даже в неизвестное нам существо, демона или бога.

Несмотря на отсутствие идей о реинкарнации, Ницше действительно близка эта идея: вечность вечна, а значит, каждое событие в ней может и должно повториться снова. И каждое существо бесконечно крутится на этой карусели вселенского возвращения, так что кружится только голова, а сама проблема первопричины исчезает где-то в калейдоскопе бесчисленных повторений.

Происхождение жизни: теории

Происхождение жизни было одной из самых спорных тем учёных и философов со времён Аристотеля. По мнению этого выдающегося мыслителя, разлагающаяся материя может превратиться в животных, обладающих жизнью, благодаря спонтанному действию природы.

Абиогенез в свете мыслей Аристотеля можно суммировать в его знаменитом предложении OMN VIVUM EX VIVO, что означает «вся жизнь происходит из жизни».

Тогда довольно большое количество моделей, теорий и предположений пытались выяснить условия и процессы, приведшие к возникновению жизни..

Ниже мы опишем наиболее известные теории, как исторические, так и научные, которые пытались объяснить происхождение первых живых систем:

Теория самозарождения

В начале 17 века было высказано предположение, что формы жизни могут возникнуть из неодушевленных элементов. Теория самозарождения получила широкое признание мыслителей того времени, поскольку пользовалась поддержкой католической церкви. Таким образом, живые существа могут прорастать как своих родителей, так и неживую материю..

Среди наиболее известных примеров, используемых в поддержку этой теории, — появление червей и других насекомых в гниющей плоти, лягушек, выходящих из грязи, и мышей, выходящих из грязной одежды и пота..

На самом деле существовали рецепты, обещавшие создание живых животных. Например, чтобы сделать мышей из неживого материала, нам пришлось соединить зерна пшеницы с грязной одеждой в темном помещении, и через несколько дней появились живые грызуны..

Сторонники этой смеси утверждали, что человеческий пот на одежде и ферментация пшеницы были факторами, управлявшими формированием жизни..

Опровержение самопроизвольной генерации

В XVII веке стали замечаться недостатки и пробелы в положениях теории самозарождения. Лишь в 1668 году итальянский физик Франческо Реди изобрел достаточную экспериментальную схему, чтобы опровергнуть это утверждение..

В своих контролируемых экспериментах Риди помещал мелко нарезанные куски мяса, завернутые в муслин, в стерильные контейнеры. Эти банки были тщательно накрыты марлей, чтобы ничто не могло соприкасаться с мясом. Кроме того, был описан эксперимент с еще одной серией бутылок без покрытия.

Со временем червей можно было наблюдать только в обнаруженных банках, поскольку мухи могли свободно проникать туда и откладывать яйца. В случае банок с крышками яйца помещали прямо в марлю.

Точно так же исследователь Лаззаро Спалланцани разработал серию экспериментов, чтобы опровергнуть предположения о спонтанном зарождении. Для этого он разработал серию бульонов, которые подвергал длительному кипячению, чтобы уничтожить любые микроорганизмы, которые там обитали..

Вклад Пастера

Позже, в 1864 году, французский биолог и химик Луи Пастер решил положить конец постулатам самопроизвольного рождения..

В этих контейнерах Пастер сварил серию бульонов, которые остались стерильными. Когда шея одного из них была сломана, она заразилась, и микроорганизмы быстро размножились.

Доказательства Пастера были неопровержимы, и ему удалось разрушить теорию, существовавшую более 2500 лет..

Панспермия

В начале 20 века шведский химик Сванте Аррениус написал книгу «Создание миров», в которой предположил, что жизнь пришла из космоса через споры, устойчивые к экстремальным условиям.

Логично, что теория панспермии была окружена множеством противоречий, помимо того, что она не давала объяснения происхождения жизни..

Хемосинтетическая теория

Изучая опыты Пастера, один из косвенных выводов его доказательств состоит в том, что микроорганизмы развиваются только из других, то есть жизнь может возникнуть только из жизни. Это явление получило название «биогенез».

Следуя этой точке зрения, возникли теории химической эволюции, возглавляемые россиянином Александром Опариным и англичанином Джоном Холдейном..

Это видение, также называемое теорией хемосинтеза Опарина-Халдейна, предполагает, что в добиотической среде Земля имела атмосферу, в которой не хватало кислорода и которая была богата водяным паром, метаном, аммиаком, углекислым газом и водородом, поэтому она была значительно уменьшена.

В этой среде действовали различные силы, такие как электрические разряды, солнечная радиация и радиоактивность. Эти силы воздействовали на неорганические соединения, порождая более крупные молекулы, создавая органические молекулы, известные как пребиотические соединения..

Миллер и Юри эксперимент

В середине 1950-х годов ученым Стэнли Л. Миллеру и Гарольду С. Юри удалось создать гениальную систему, которая моделировала атмосферные условия предполагаемых предков на Земле, согласно теории Опарина-Холдейна..

Формирование полимера

Хотя ранее упомянутые эксперименты предлагают вероятный путь возникновения биомолекул, входящих в состав живых систем, они не дают объяснения процесса полимеризации и увеличения сложности.

Есть несколько моделей, которые пытаются разобраться в этом вопросе. Первый касается твердых минеральных поверхностей, где увеличенная площадь поверхности и силикаты могут действовать как катализаторы для молекул углерода..

В глубинах океана гидротермальные источники служат подходящим источником катализаторов, таких как железо и никель. Согласно экспериментам в лабораториях, эти металлы участвуют в реакциях полимеризации.

Примиряя результаты Миллера и Пастера

Следуя порядку идей, обсуждавшихся в предыдущих параграфах, мы видим, что эксперименты Пастера доказали, что жизнь не возникает из инертных материалов, тогда как данные Миллера и Юри показывают, что если и возникает, то на молекулярном уровне.

Чтобы согласовать оба результата, необходимо помнить, что состав атмосферы Земли сегодня совершенно отличается от пребиотической атмосферы..

В клетке жизнь сохраняется, и на этом принципе Пастер основывает свое утверждение, что каждое живое существо должно произойти из другого, уже существующего..

Мир РНК

Роль автокатализа в абиогенезе решающая, поэтому одной из самых известных гипотез происхождения жизни является мир РНК, постулирующий происхождение от простых связанных между собой молекул, обладающих способностью к самовоспроизведению..

Эта концепция РНК предполагает, что первыми биокатализаторами были не молекулы белковой природы, а молекулы РНК — или подобный полимер — обладающие способностью осуществлять катализ.

Это предположение основано на свойстве РНК синтезировать короткие фрагменты с помощью темперирования, которое контролирует процесс, помимо стимуляции образования пептидов, сложных эфиров и гликозидных связей..

Согласно этой теории, предковая РНК была связана с определенными кофакторами, такими как металлы, пиримидины и аминокислоты. По мере развития и усложнения обмена веществ возникает способность синтезировать полипептиды..

В ходе эволюции РНК была заменена более химически стабильной молекулой — ДНК.

Первые клетки

Итак, если органические молекулы и РНК могут образовываться спонтанно, то как насчет клеток? Как устроены клеточные мембраны?

Липиды – это молекулы, составляющие слой клеточной мембраны. Как выяснилось из эксперимента Миллера-Юри, липиды могут образовываться самопроизвольно при определенных атмосферных условиях. Они имеют гидрофильную и гидрофобную стороны. В то время как гидрофильная сторона может взаимодействовать с водой, гидрофобная сторона не может, поэтому они образуют кластеры в воде. Гидрофильная сторона обращена наружу, а гидрофобная сторона — внутрь. Это похоже на то, как масло в лавовой лампе никогда не смешивается с жидкостью.

В липидном бислое молекулы ориентированы таким образом, что их полярные части обращены к водной фазе и образуют две гидрофильные стороны, а их неполярные «хвосты» образуют гидрофобную сторону внутри бислоя. Это предотвращает прохождение воды между ними и образует клеточную мембрану. Вода не покидает клетку, а вода извне в клетку не попадает. Благодаря структуре липида он может самопроизвольно образовывать бислой в присутствии воды.

Зная все это, можно предположить, что некоторые из первых структур РНК были заключены в примитивную клетку, состоящую из липидного бислоя, заполненного водой, неорганическими и органическими молекулами. Эти примитивные клетки затем дали начало первым живым клеткам.

Другие гипотезы

Хотя научные доказательства абиогенеза являются устоявшейся научной теорией, некоторые ученые сформулировали и другие гипотезы, объясняющие происхождение жизни на Земле. Одной из таких гипотез является панспермия, которая предполагает, что жизнь пришла на Землю из космоса и, следовательно, зародилась в других частях галактики. Это интересная гипотеза, но ее трудно проверить.

На дне морском

Первая жизнь могла возникнуть вокруг вулканов. Представьте себе на еще хрупком дне океанов множество разломов и трещин, сочащихся магмой и пузырьками газов. В таких зонах, насыщенных парами сероводорода, образуются отложения сульфидов металлов: железа, цинка, меди. Что, если бы синтез первичного органического вещества происходил непосредственно на поверхности железо-серных минералов с помощью реакции углекислого газа и водорода? К счастью, и того, и другого вокруг предостаточно: из магмы выделяются углекислый газ и окись, а из воды при химическом взаимодействии с горячей магмой выделяется водород. Также происходит приток энергии, необходимой для синтеза.

Эта гипотеза не противоречит геологическим данным и основана на предположении, что ранние организмы жили в экстремальных условиях, как и современные хемосинтезирующие бактерии. В 60-е годы 20 века учёные обнаружили подводные вулканы – чёрные курильщики – на дне Тихого океана. Там, в облаках токсичных газов, без доступа солнечного света и кислорода, при температуре +120° существуют колонии микроорганизмов.

Условия, подобные черным курильщикам, существовали на Земле уже 2,5 миллиарда лет назад, о чем свидетельствуют слои строматолитов — следов жизнедеятельности сине-зеленых водорослей. Похожие на эти микробы формы встречаются и среди останков древнейших организмов возрастом 3,5 миллиарда лет.

Для подтверждения вулканической гипотезы необходим эксперимент, который покажет, что в этих условиях возможен абиогенный синтез. В этом направлении работают группы биохимиков из США, Германии, Англии и России, но пока безуспешно. Обнадеживающие результаты были получены в 2003 году молодым научным сотрудником Михаилом Владимировым из лаборатории эволюционной биохимии Института биохимии. АН Баха РАН.

Он создал в лаборатории искусственный черный курильщик: диск пирита (FeS2) был помещен в автоклав, наполненный раствором соленой воды, и служил катодом; Через систему проходили углекислый газ и электрический ток. Через сутки в автоклаве появилась муравьиная кислота — простейшее органическое вещество, участвующее в обмене веществ живых клеток и служащее материалом для абиогенного синтеза более сложных биологических веществ.

Охотники за обитаемыми планетами

Обе теории происхождения жизни, панспермия и абиогенез, признают, что жизнь не является уникальным явлением во Вселенной, она должна существовать и на других планетах. Но как это обнаружить? Долгое время существовал только один метод поиска жизни, который пока не дал положительных результатов – использование радиосигналов инопланетян. В конце 20 века возникла новая идея — использовать телескопы для поиска планет за пределами Солнечной системы.

Охота за экзопланетами началась. В 1995 году был пойман первый экземпляр: планета вполовину массы Юпитера, быстро вращающаяся вокруг 51-й звезды в созвездии Пегаса. В результате почти 10-летних поисков было открыто 118 планетных систем, содержащих 141 планету. Ни одна из этих систем не похожа на Солнечную систему, ни одна из планет не похожа на Землю. Найденные экзопланеты по массе близки к Юпитеру, то есть значительно крупнее Земли.

Далекие гиганты непригодны для жизни из-за особенностей их орбит. Некоторые из них вращаются очень близко к своей звезде, а это означает, что их поверхности горячие и нет жидкой воды, где могла бы развиваться жизнь. Остальные планеты — их меньшинство — движутся по вытянутой эллиптической орбите, что резко влияет на климат: времена года там должны быть очень резкими, а это губительно для организмов.

Тот факт, что не обнаружено ни одной планетной системы солнечного типа, привел к пессимистическим заявлениям некоторых ученых. Возможно, маленькие каменистые планеты очень редки во Вселенной, или наша Земля вообще единственная в своем роде, а возможно, нам просто не хватает точности измерений. Но надежда умирает последней, и астрономы продолжают совершенствовать свои методы. Сейчас планеты ищут не прямым наблюдением, а по косвенным признакам, потому что разрешения телескопов недостаточно. Таким образом, положение юпитероподобных гигантов рассчитывается по гравитационному возмущению, которое они оказывают на орбиты своих звезд.

В 2006 году Европейское космическое агентство запустит спутник «Корот», который будет искать планеты земной массы, уменьшая яркость звезд по мере их прохождения по диску. Спутник НАСА «Кеплер» будет таким же образом охотиться за планетами, начиная с 2007 года. Еще через 2 года НАСА организует миссию космической интерферометрии — очень чувствительного метода обнаружения малых планет по их воздействию на тела большей массы. Лишь к 2015 году учёные создадут инструменты для прямого наблюдения — это будет целая флотилия космических телескопов под названием «Охотник за похожими на Землю планетами», которые смогут одновременно искать признаки жизни.

Когда будут открыты похожие на Землю планеты, в науке начнется новая эра, и к этому событию ученые готовятся уже сейчас. На большом расстоянии надо уметь распознавать в атмосфере планеты следы жизни, даже самые примитивные ее формы — бактерии или простейшие многоклеточные организмы. Вероятность обнаружения первобытной жизни во Вселенной выше, чем контакта с маленькими зелеными человечками, ведь жизнь на Земле существует уже более 4 миллиардов лет, из них развитой цивилизации отведено лишь одно столетие.

До прихода техногенных сигналов узнать о нашем существовании можно было только по наличию в атмосфере особых соединений – биомаркеров. Наиболее важным биомаркером является озон, который указывает на наличие кислорода. Водяной пар указывает на наличие жидкой воды. Углекислый газ и метан выделяют некоторые виды организмов. Миссия Дарвина, которую европейские ученые запустят в 2015 году, будет заниматься поиском биомаркеров на далеких планетах.

Шесть инфракрасных телескопов будут вращаться на расстоянии 1,5 миллиона километров от Земли и обследовать несколько тысяч близлежащих планетных систем. По количеству кислорода в атмосфере проект Дарвина способен определить очень молодую жизнь, возрастом несколько сотен миллионов лет.

Если излучение атмосферы планеты содержит спектральные линии трёх веществ — озона, водяного пара и метана — это ещё одно свидетельство в пользу наличия жизни. Следующий шаг – установить ее тип и степень развития. Например, наличие молекул хлорофилла означало бы, что на планете есть бактерии и растения, которые используют фотосинтез для производства энергии. Разработка биомаркеров следующего поколения весьма перспективна, но до этого еще далеко.

Читайте также: Северное сияние 2023: описание природного явления, когда и где посмотреть, советы туристам