Gyvybės Žemėje kilmės klausimas yra vienas sunkiausių šiuolaikinio gamtos mokslo klausimų, į kurį iki šiol nėra vienareikšmio atsakymo.

Yra keletas teorijų apie gyvybės atsiradimą Žemėje, iš kurių garsiausios yra:

• spontaniškos (spontaniškos) kartos teorija;
• kreacionizmo (arba kūrybos) teorija;
• pastovios būsenos teorija;
• panspermijos teorija;
• biocheminės evoliucijos teorija (A.I. Oparino teorija).

Apsvarstykite pagrindines šių teorijų nuostatas.

Spontaniškos (spontaniškos) kartos teorija

Spontaniškos gyvybės kartos teorija buvo plačiai paplitusi senovės pasaulyje – Babilone, Kinijoje, senovės Egipte ir Senovės Graikija(Šia teorija ypač vadovavosi Aristotelis).

senovės pasaulio mokslininkai ir viduramžių Europa jie tikėjo, kad iš negyvos medžiagos nuolat kyla gyvos būtybės: iš purvo – kirminai, iš purvo – varlės, iš ryto rasos – ugniažolės ir kt. Taigi, žinomas olandų mokslininkas XVII a. Van Helmontas savo moksliniame traktate gana rimtai aprašė patyrimą, kai per 3 savaites peles patekdavo į užrakintą tamsią spintą tiesiai iš nešvarių marškinių ir saujos kviečių. Pirmą kartą italų mokslininkas Francesco Redi (1688) nusprendė eksperimentiškai patikrinti plačiai pripažintą teoriją. Keletą mėsos gabalų jis įdėjo į indus ir kai kuriuos uždengė muslinu. Atviruose induose pūvančios mėsos paviršiuje atsirasdavo baltų kirmėlių – musių lervų. Muslinu padengtuose induose nebuvo musių lervų. Taip F. Redi pavyko įrodyti, kad musių lervos atsiranda ne nuo pūvančios mėsos, o iš kiaušinėlių, kuriuos ant jos paviršiaus padeda musės.

1765 metais garsus italų mokslininkas ir gydytojas Lazzaro Spalanzani uždarytuose stikliniuose induose virė mėsos ir daržovių sultinius. Sultiniai sandariai uždarytose kolbose nepablogėjo. Jis padarė išvadą, kad būdamas apsvaigęs aukštos temperatūros mirė visi gyvi padarai, galintys sugadinti sultinį. Tačiau F. Redi ir L. Spalanzani eksperimentai įtikino ne visus. Vitalistai mokslininkai (iš lot. vita- gyvenimas) tikėjo, kad spontaniška gyvų būtybių generacija nevyksta virintame sultinyje, nes jame sunaikinama ypatinga „gyvybės jėga“, kuri negali prasiskverbti į sandarų indą, nes yra pernešama per orą.

Ginčai dėl spontaniškos gyvybės atsiradimo galimybės paaštrėjo dėl mikroorganizmų atradimo. Jei sudėtingos gyvos būtybės negali spontaniškai daugintis, galbūt mikroorganizmai gali?

Šiuo atžvilgiu 1859 m. Prancūzų akademija paskelbė skirianti premiją tam, kuris galutinai išsprendžia spontaniškos gyvybės kartos galimybės ar neįmanomumo klausimą. Šį apdovanojimą 1862 metais gavo garsus prancūzų chemikas ir mikrobiologas Louisas Pasteuras. Kaip ir Spalanzani, jis virė maistinių medžiagų sultinį stiklinėje kolboje, tačiau kolba buvo ne įprasta, o su 5 formos vamzdelio formos kakleliu. Oras, taigi ir „gyvybės jėga“, galėjo prasiskverbti į kolbą, tačiau dulkės, o kartu ir ore esantys mikroorganizmai, nusėdo 5 formos vamzdelio apatinėje alkūnėje, o sultinys kolboje liko sterilus. (1 pav.). Tačiau vertėjo perlaužti kolbos kaklelį arba steriliu sultiniu išskalauti apatinį 5 formos vamzdelio kelį, nes sultinys ėmė greitai drumstis – jame atsirado mikroorganizmų.

Taigi, Louiso Pasteuro darbo dėka, spontaniškos kartos teorija buvo pripažinta nepagrįsta, o mokslo pasaulyje įsitvirtino biogenezės teorija, kurios trumpa formuluotė yra tokia: „Viskas, kas gyva, yra iš gyvų dalykų“.

Ryžiai. 1. Pastero kolba

Tačiau jei visi gyvi organizmai istoriškai numatomu žmogaus vystymosi laikotarpiu yra kilę tik iš kitų gyvų organizmų, natūraliai kyla klausimas: kada ir kaip Žemėje atsirado pirmieji gyvi organizmai?

Kūrimo teorija

Kūrimo teorija daro prielaidą, kad visus gyvus organizmus (ar tik paprasčiausias jų formas) per tam tikrą laikotarpį sukūrė ("suprojektavo") kokia nors antgamtinė būtybė (dievybė, absoliuti idėja, superprotas, supercivilizacija ir kt.). Akivaizdu, kad daugumos pirmaujančių pasaulio religijų, ypač krikščionių religijos, pasekėjai laikėsi šio požiūrio nuo seniausių laikų.

Kreacionizmo teorija vis dar gana plačiai paplitusi ne tik religiniuose, bet ir mokslo sluoksniuose. Paprastai jis naudojamas paaiškinti sudėtingiausius, neišspręstus biocheminės ir biologinės evoliucijos klausimus, susijusius su baltymų ir nukleorūgščių atsiradimu, sąveikos tarp jų mechanizmo formavimusi, atskirų kompleksinių organelių ar organų atsiradimu ir susidarymu (pvz. ribosoma, akis ar smegenys). Periodinės „kūrybos“ veiksmai taip pat paaiškina aiškių pereinamųjų sąsajų su vienos rūšies gyvūnais nebuvimą
į kitą, pavyzdžiui, nuo kirminų iki nariuotakojų, nuo beždžionių iki žmonių ir kt. Reikia pabrėžti, kad filosofinis ginčas dėl sąmonės (viršproto, absoliučios idėjos, dievybės) ar materijos pirmumo iš esmės yra neišspręstas, kadangi bet kokius šiuolaikinės biochemijos ir evoliucijos teorijos sunkumus paaiškinti iš esmės nesuvokiamais antgamtiniais kūrimo veiksmais reikia. Šie klausimai nepatenka į mokslinius tyrimus, kreacionizmo teorija negali būti priskirta mokslinių teorijų apie gyvybės atsiradimą Žemėje kategorijai.

Pastovios būsenos ir panspermijos teorijos

Abi šios teorijos yra vienas kitą papildantys vieno pasaulio paveikslo elementai, kurių esmė tokia: visata egzistuoja amžinai, o gyvybė joje egzistuoja amžinai (stacionari būsena). Gyvybę iš planetos į planetą neša kosmose keliaujančios „gyvybės sėklos“, kurios gali būti kometų ir meteoritų dalis (panspermija). Panašios nuomonės apie gyvybės kilmę visų pirma laikėsi akademikas V.I. Vernadskis.

Tačiau stacionarios būsenos teorija, kuri numato be galo ilgą Visatos egzistavimą, neatitinka šiuolaikinės astrofizikos duomenų, pagal kuriuos Visata atsirado palyginti neseniai (maždaug prieš 16 milijardų metų) per pirminį sprogimą. .

Akivaizdu, kad abi teorijos (panspermija ir stacionari būsena) visiškai nepaaiškina pirminės gyvybės atsiradimo mechanizmo, perkeliant ją į kitas planetas (panspermija) ar perkeliant į begalybę laike (stacionarios teorijos). valstybė).

Biocheminės evoliucijos teorija (A.I. Oparino teorija)

Iš visų gyvybės kilmės teorijų labiausiai paplitusi ir pripažinta mokslo pasaulyje yra biocheminės evoliucijos teorija, kurią 1924 metais pasiūlė sovietų biochemikas akademikas A.I. Oparinas (1936 m. jis tai išsamiai aprašė savo knygoje „Gyvybės atsiradimas“).

Šios teorijos esmė ta, kad biologinė evoliucija – t.y. atsiradimas, vystymasis ir komplikacija įvairių formų gyvų organizmų, prieš tai vyko cheminė evoliucija – ilgas Žemės istorijos laikotarpis, susijęs su elementarių vienetų, „plytų“, sudarančių visą gyvą būtybę – organinių molekulių, atsiradimu, komplikavimu ir sąveikos pagerėjimu.

Prebiologinė (cheminė) evoliucija

Daugumos mokslininkų (pirmiausia astronomų ir geologų) nuomone, Žemė kaip dangaus kūnas susiformavo maždaug prieš 5 milijardus metų. kondensuojantis aplink Saulę besisukančio dujų ir dulkių debesies dalelėms.

Veikiamos gniuždymo jėgoms, dalelės, iš kurių susidaro Žemė, išskiria didžiulį šilumos kiekį. Termobranduolinės reakcijos prasideda Žemės žarnyne. Dėl to Žemė labai įkaista. Taigi, prieš 5 mlrd Žemė buvo karštas kamuolys, besiveržiantis per kosmosą, kurio paviršiaus temperatūra siekė 4000-8000°C (juokiasi 2).

Palaipsniui dėl šiluminės energijos spinduliavimo į kosmosą Žemė pradeda vėsti. Maždaug prieš 4 milijardus metų Žemė taip atšąla, kad jos paviršiuje susidaro kieta pluta; tuo pačiu metu iš jo žarnų išeina lengvos dujinės medžiagos, kylančios aukštyn ir sudarydamos pirminę atmosferą. Pirminės atmosferos sudėtis labai skyrėsi nuo šiuolaikinės. Matyt, senovės Žemės atmosferoje nebuvo laisvo deguonies, o į jo sudėtį įėjo redukuotos būsenos medžiagos, tokios kaip vandenilis (H 2), metanas (CH 4), amoniakas (NH 3), vandens garai (H 2). O ), o galbūt ir azotas (N 2), anglies monoksidas ir anglies dioksidas (CO ir CO 2).

Pirminės Žemės atmosferos redukcinis pobūdis yra nepaprastai svarbus gyvybės atsiradimui, nes redukuotos būsenos medžiagos yra labai reaktyvios ir tam tikromis sąlygomis gali sąveikauti viena su kita, sudarydamos organines molekules. Laisvo deguonies nebuvimas pirminės Žemės atmosferoje (praktiškai visas Žemės deguonis buvo surištas oksidų pavidalu) taip pat yra svarbi gyvybės atsiradimo sąlyga, nes deguonis lengvai oksiduojasi ir taip sunaikina organinius junginius. Todėl, esant laisvajam deguoniui atmosferoje, kaupiasi senovės žemė reikšminga suma organinės medžiagos būtų neįmanoma.

Maždaug prieš 5 milijardus metų- Žemės, kaip dangaus kūno, atsiradimas; paviršiaus temperatūra — 4000-8000°C

Maždaug prieš 4 milijardus metų -Žemės plutos ir pirminės atmosferos susidarymas

1000°C temperatūroje- pirminėje atmosferoje prasideda paprastų organinių molekulių sintezė

Sintezės energiją suteikia:

Pirminės atmosferos temperatūra yra žemesnė nei 100 ° C - susidaro pirminis vandenynas -

Sudėtingų organinių molekulių sintezė – biopolimerai iš paprastų organinių molekulių:

• paprastos organinės molekulės – monomerai
• sudėtingos organinės molekulės – biopolimerai

Schema. 2. Pagrindiniai cheminės evoliucijos etapai

Pirminės atmosferos temperatūrai pasiekus 1000°C, joje prasideda paprastų organinių molekulių, tokių kaip amino rūgštys, nukleotidai, riebalų rūgštys, paprasti cukrūs, polihidroksiliai alkoholiai, sintezė. organinės rūgštys Energiją sintezei tiekia žaibo iškrovos, ugnikalnių aktyvumas, kietoji kosminė spinduliuotė ir galiausiai Saulės ultravioletinė spinduliuotė, nuo kurios Žemės dar neapsaugo ozono ekranas, o mokslininkai mano, kad ultravioletinė spinduliuotė. pagrindinis energijos šaltinis abiogeninei (t. y. praeina be gyvų organizmų dalyvavimo) organinių medžiagų sintezei.

A.I. teorijos pripažinimas ir platus sklaida. Opariną labai palengvino tai, kad organinių molekulių abiogeninės sintezės procesai lengvai atkuriami modelių eksperimentuose.

Galimybė iš neorganinių medžiagų susintetinti organines medžiagas žinoma nuo XIX amžiaus pradžios. Jau 1828 metais iškilus vokiečių chemikas F. Wöhleris iš neorganinės medžiagos susintetino organinę medžiagą – karbamidą – amonio cianatą. Tačiau abiogeninės organinių medžiagų sintezės galimybė artimomis senovės Žemės sąlygoms pirmą kartą buvo parodyta S. Millerio eksperimente.

1953 m. jaunas amerikiečių mokslininkas, Čikagos universiteto magistrantas Stanley Milleris, stiklinėje kolboje su įlietais elektrodais atgamina pirminę Žemės atmosferą, kurią, anot to meto mokslininkų, sudarė vandenilis. metano CH 4, amoniako NH ir vandens garų H 2 0 (3 pav.). Per šį dujų mišinį S. Milleris savaitę praleido perkūniją imituojančias elektros iškrovas. Eksperimento pabaigoje kolboje buvo rasta α-amino rūgščių (glicinas, alaninas, asparaginas, glutaminas), organinės rūgštys (gintaro, pieno, acto, glikokolio), γ-hidroksisviesto rūgštis ir karbamidas. Kartojant eksperimentą S. Milleriui pavyko gauti atskirus nukleotidus ir trumpas penkių-šešių grandžių polinukleotidų grandines.

Ryžiai. 3. S. Millerio instaliacija

Tolesniuose įvairių tyrinėtojų abiogeninės sintezės eksperimentuose buvo naudojamos ne tik elektros iškrovos, bet ir kitos senovės Žemei būdingos energijos rūšys, tokios kaip kosminė, ultravioletinė ir radioaktyvioji spinduliuotė, aukšta ugnikalnio veiklai būdinga temperatūra, taip pat įvairios galimybės dujų mišiniai imituojant pirmykštę atmosferą. Dėl to buvo gautas beveik visas gyviems daiktams būdingų organinių molekulių spektras: aminorūgštys, nukleotidai, į riebalus panašios medžiagos, paprasti cukrūs, organinės rūgštys.

Be to, abiogeninė organinių molekulių sintezė šiuo metu taip pat gali vykti Žemėje (pavyzdžiui, vulkaninės veiklos metu). Tuo pačiu metu vulkaninėse emisijose galima rasti ne tik vandenilio cianido rūgšties HCN, kuri yra aminorūgščių ir nukleotidų pirmtakas, bet ir atskirų aminorūgščių, nukleotidų ir net tokių sudėtingų organinių medžiagų kaip porfirinai. Abiogeninė organinių medžiagų sintezė galima ne tik Žemėje, bet ir kosmose. Paprasčiausios aminorūgštys randamos meteorituose ir kometose.

Pirminės atmosferos temperatūrai nukritus žemiau 100 °C, Žemę užklupo karšti lietūs ir atsirado pirminis vandenynas. Su lietaus srovėmis abiogeniškai susintetintos organinės medžiagos pateko į pirminį vandenyną, kuris jį pavertė, tačiau, vaizdine anglų biochemiko Johno Haldane'o išraiška, praskiesta „pirmine sriuba“. Matyt, būtent pirmykščiame vandenyne prasideda paprastų organinių molekulių – sudėtingų organinių molekulių monomerų – biopolimerų susidarymo procesai (žr. 2 pav.).

Tačiau atskirų nukleozidų, aminorūgščių ir cukrų polimerizacijos procesai yra kondensacijos reakcijos, jos vyksta šalinant vandenį, todėl vandeninė terpė prisideda ne prie polimerizacijos, o, priešingai, prie biopolimerų hidrolizės (t.y. , jų sunaikinimas pridedant vandens).

Biopolimerai (ypač baltymai iš aminorūgščių) gali susidaryti atmosferoje maždaug 180°C temperatūroje, iš kur jie su atmosferos krituliais buvo nuplauti į pirminį vandenyną. Be to, gali būti, kad senovės Žemėje aminorūgštys buvo sutelktos džiovinimo rezervuaruose ir polimerizuotos sausoje formoje, veikiamos ultravioletinių spindulių ir lavos srautų šilumos.

Nepaisant to, kad vanduo skatina biopolimerų hidrolizę, biopolimerų sintezė gyvoje ląstelėje vyksta būtent vandeninėje terpėje. Šį procesą katalizuoja specialūs kataliziniai baltymai – fermentai, o sintezei reikalinga energija išsiskiria skaidant adenozino trifosfatą – ATP. Gali būti, kad biopolimerų sintezę pirminio vandenyno vandens aplinkoje katalizavo tam tikrų mineralų paviršius. Eksperimentiškai įrodyta, kad aminorūgšties alanino tirpalas gali polimerizuotis vandeninėje terpėje, esant specialiam aliuminio oksido tipui. Tokiu atveju susidaro peptidas polialaninas. Alanino polimerizacijos reakciją lydi ATP skilimas.

Nukleotidų polimerizacija yra lengvesnė nei aminorūgščių polimerizacija. Įrodyta, kad tirpaluose, kuriuose yra didelė druskos koncentracija, atskiri nukleotidai spontaniškai polimerizuojasi, virsdami nukleino rūgštimis.

Visų šiuolaikinių gyvų būtybių gyvenimas yra nenutrūkstamos sąveikos tarp svarbiausių gyvos ląstelės biopolimerų – baltymų ir nukleorūgščių – procesas.

Baltymai yra gyvos ląstelės „darbinės molekulės“, „inžinierinės molekulės“. Apibūdindami savo vaidmenį metabolizme, biochemikai dažnai vartoja tokius vaizdinius posakius kaip „baltymas veikia“, „fermentas veda reakciją“. Svarbiausia baltymų funkcija yra katalizė. Kaip žinote, katalizatoriai yra medžiagos, kurios pagreitina chemines reakcijas, tačiau jos pačios nėra įtrauktos į galutinius reakcijos produktus. Cisternos-katalizatoriai vadinami fermentais. Fermentai lenkdami ir tūkstančius kartų pagreitina medžiagų apykaitos reakcijas. Metabolizmas, taigi ir gyvenimas be jų, yra neįmanomas.

Nukleino rūgštys– tai „molekulės-kompiuteriai“, molekulės yra paveldimos informacijos saugotojos. Nukleino rūgštys kaupia informaciją ne apie visas gyvos ląstelės medžiagas, o tik apie baltymus. Pakanka dukterinėje ląstelėje atgaminti motininei ląstelei būdingus baltymus, kad jie tiksliai atkurtų visas chemines ir struktūrinės ypatybės motininė ląstelė, taip pat jos prigimtis ir metabolizmo greitis. Pačios nukleorūgštys taip pat dauginasi dėl baltymų katalizinio aktyvumo.

Taigi gyvybės atsiradimo paslaptis yra baltymų ir nukleorūgščių sąveikos mechanizmo atsiradimo paslaptis. Kokios informacijos apie šį procesą turi šiuolaikinis mokslas? Kokios molekulės buvo pirminis gyvybės pagrindas – baltymai ar nukleorūgštys?

Mokslininkai mano, kad nepaisant pagrindinio baltymų vaidmens šiuolaikinių gyvų organizmų metabolizme, pirmosios „gyvos“ molekulės buvo ne baltymai, o nukleorūgštys, būtent ribonukleino rūgštys (RNR).

1982 metais amerikiečių biochemikas Thomas Checkas atrado autokatalitines RNR savybes. Jis eksperimentiškai parodė, kad terpėje, kurioje yra didelė mineralinių druskų koncentracija, ribonukleotidai spontaniškai (spontaniškai) polimerizuojasi, sudarydami polinukleotidus – RNR molekules. Originaliose RNR polinukleotidinėse grandinėse, kaip ir matricoje, RNR kopijos susidaro poruojant komplementarioms azotinėms bazėms. RNR šablono kopijavimo reakciją katalizuoja originali RNR molekulė ir jai nereikia fermentų ar kitų baltymų.

Tai, kas nutiko toliau, gana gerai paaiškinama tuo, kas molekuliniu lygmeniu gali būti vadinama „natūralia atranka“. Savaiminio RNR molekulių kopijavimo (savaiminio surinkimo) metu neišvengiamai atsiranda netikslumų ir klaidų. Klaidingos RNR kopijos nukopijuojamos dar kartą. Dar kartą kopijuojant gali vėl atsirasti klaidų. Dėl to tam tikroje pirminio vandenyno dalyje RNR molekulių populiacija bus nevienalytė.

Kadangi lygiagrečiai su sintezės procesais vyksta ir RNR skilimo procesai, reakcijos terpėje kaupsis arba didesnį stabilumą, arba geresnes autokatalizines savybes turinčios molekulės (t.y. molekulės, kurios greičiau kopijuoja, greičiau „dauginasi“).

Ant kai kurių RNR molekulių, kaip ir ant matricos, gali savaime susikaupti maži baltymų fragmentai – peptidai. Aplink RNR molekulę susidaro baltymų „apvalkalas“.

Kartu su autokatalizinėmis funkcijomis Thomas Check atrado savaiminio susijungimo reiškinį RNR molekulėse. Dėl savaiminio susijungimo RNR sritys, kurios nėra apsaugotos peptidais, spontaniškai pašalinamos iš RNR (jos tarsi „išpjaunamos“ ir „išstumiamos“), o likusios RNR sritys, koduojančios baltymų fragmentus, „suauga“. ", t.y. spontaniškai susijungia į vieną molekulę. Ši nauja RNR molekulė jau koduos didelį sudėtingą baltymą (4 pav.).

Matyt, iš pradžių buvo atliekami baltyminiai apvalkalai, apsauginė funkcija, apsaugo RNR nuo sunaikinimo ir taip padidina jos stabilumą tirpale (tai yra baltymų apvalkalo funkcija paprasčiausiuose šiuolaikiniuose virusuose).

Akivaizdu, kad tam tikrame biocheminės evoliucijos etape pranašumą įgijo RNR molekulės, kurios koduoja ne tik apsauginius baltymus, bet ir katalizinius baltymus (fermentus), smarkiai pagreitindamos RNR kopijavimo greitį. Matyt, taip atsirado baltymų ir nukleorūgščių sąveikos procesas, kurį dabar vadiname gyvybe.

Tolesnio vystymosi procese dėl baltymo, turinčio fermento, atvirkštinės transkriptazės, atsiradimo ant vienos grandinės RNR molekulių, buvo pradėtos sintetinti dezoksiribonukleino rūgšties (DNR) molekulės, susidedančios iš dviejų grandžių. OH grupės nebuvimas 2" dezoksiribozės padėtyje daro DNR molekules stabilesnes hidrolizinio skilimo atžvilgiu silpnai šarminiuose tirpaluose, ty terpės reakcija pirminiuose rezervuaruose buvo šiek tiek šarminė (ši terpės reakcija taip pat buvo išsaugota šiuolaikinių ląstelių citoplazmoje).

Kur įvyko sudėtingas baltymų ir nukleorūgščių sąveikos procesas? Pagal A.I. Oparinas, vadinamieji koacervatiniai lašai, tapo gyvybės gimtine.

Ryžiai. 4. Baltymų ir nukleorūgščių sąveikos hipotezė: a) savaiminio RNR kopijavimo procese kaupiasi klaidos (1 - nukleotidai, atitinkantys pradinę RNR; 2 - nukleotidai, neatitinkantys pradinės RNR - klaidos kopijavimas); b) ant dalies RNR molekulės dėl jos fizinės ir cheminės savybės Aminorūgštys „prilimpa“ (3 - RNR molekulė; 4 - aminorūgštys), kurios, sąveikaudamos viena su kita, virsta trumpomis baltymų molekulėmis - peptidais. Dėl RNR molekulėms būdingo savaiminio susijungimo sunaikinamos tos RNR molekulės dalys, kurios nėra apsaugotos peptidais, o likusios „išauga“ į vieną molekulę, koduojančią didelį baltymą. Rezultatas yra RNR molekulė, padengta baltyminiu apvalkalu (panašią struktūrą turi primityviausi šiuolaikiniai virusai, pavyzdžiui, tabako mozaikos virusas).

Koacervacijos reiškinys susideda iš to, kad tam tikromis sąlygomis (pavyzdžiui, esant elektrolitams) iš tirpalo yra atskiriamos stambiamolekulinės medžiagos, bet ne nuosėdų, o labiau koncentruoto tirpalo - koacervato pavidalu. . Sukratytas koacervatas suyra į atskirus mažus lašelius. Vandenyje tokie lašai yra padengti juos stabilizuojančiu hidrataciniu apvalkalu (vandens molekulių apvalkalu) – pav. 5.

Koacervato lašai turi tam tikrą medžiagų apykaitos panašumą: veikiami grynai fizinių ir cheminių jėgų, jie gali selektyviai absorbuoti tam tikras medžiagas iš tirpalo ir išleisti savo skilimo produktus į aplinką. Dėl selektyvios aplinkos medžiagų koncentracijos jos gali augti, tačiau pasiekusios tam tikrą dydį pradeda „daugintis“, dygdamos smulkiais lašeliais, kurie savo ruožtu gali augti ir „pumpuruotis“.

Koacervato lašeliai, susidarantys dėl baltymų tirpalų koncentracijos maišymosi procese, veikiant bangoms ir vėjui, gali būti padengti lipidiniu apvalkalu: viena membrana, primenančia muilo miceles (vienu lašeliu atsiskyrimu nuo vandens paviršiaus, padengto lipidų sluoksnis), arba dvigubas, panašus į ląstelės membraną (kai lašas, padengtas vienasluoksne lipidine membrana, vėl nukrenta ant lipidinės plėvelės, dengiančios rezervuaro paviršių – 5 pav.).

Laboratorijoje nesunkiai sumodeliuojami koacervatinių lašelių atsiradimo, augimo ir „bumzavimo“ procesai, taip pat „aprengimas“ membrana iš dvigubo lipidinio sluoksnio.

Koacervatiniams lašeliams taip pat taikomas „natūralios atrankos“ procesas, kurio metu stabiliausi lašeliai lieka tirpale.

Nepaisant išorinio koacervato lašų panašumo į gyvas ląsteles, koacervatiniai lašai neturi pagrindinio gyvo daikto ženklo – gebėjimo tiksliai daugintis, kopijuoti save. Akivaizdu, kad gyvų ląstelių pirmtakai buvo tokie koacervatiniai lašai, kuriuose buvo replikatorių molekulių (RNR arba DNR) ir jų koduojamų baltymų kompleksai. Galbūt RNR-baltymų kompleksai ilgas laikas egzistavo už koacervatinių lašelių, vadinamojo „laisvai gyvenančio geno“ pavidalu, ir gali būti, kad jie susidarė tiesiai kai kurių koacervatinių lašelių viduje.

Galimas perėjimo nuo koacervuotų lašų iki primityvių blyksnių kelias:

a) koacervato susidarymas; 6) koacervato lašų stabilizavimas vandeninis tirpalas; c) - dvigubo lipidinio sluoksnio susidarymas aplink lašą, panašus į ląstelės membraną: 1 - koacervatinis lašas; 2 - monomolekulinis lipidų sluoksnis rezervuaro paviršiuje; 3 — vieno lipidinio sluoksnio susidarymas aplink lašą; 4 - dvigubo lipidinio sluoksnio susidarymas aplink lašą, panašus į ląstelės membraną; d) - koacervatinis lašas, apsuptas dvigubu lipidų sluoksniu, kurio sudėtyje yra baltymų ir nukleotidų komplekso - pirmosios gyvos ląstelės prototipas

Labai sudėtinga, iki galo nesuprantama šiuolaikinis mokslas Istoriniu požiūriu gyvybės atsiradimo Žemėje procesas buvo itin greitas. 3,5 milijardo metų buvo vadinamasis. cheminė evoliucija baigėsi pasirodžius pirmosioms gyvoms ląstelėms ir prasidėjo biologinė evoliucija.

Gyvybės atsiradimo Žemėje hipotezės

Gyvybės ir gyvybės problema yra daugelio gamtos mokslų, pradedant biologija ir baigiant filosofija, matematika, nagrinėjančia abstrakčius gyvojo reiškinio modelius, taip pat fizikos, apibrėžiančios gyvenimą fizinių dėsnių požiūriu, objektas. . Šimtmečius trukę tyrinėjimai ir bandymai išspręsti šias problemas davė pradžią įvairioms gyvybės atsiradimo hipotezėms.

Pagal dvi pasaulėžiūrines pozicijas – materialistinę ir idealistinę – net ir in senovės filosofija Susiformavo priešingos gyvybės atsiradimo sampratos: kreacionizmas ir materialistinė teorija apie organinės gamtos atsiradimą iš neorganinės. Kreacionizmo šalininkai teigia, kad gyvybė atsirado dėl dieviškojo kūrimo akto, kurio įrodymas yra ypatingos jėgos, valdančios visus biologinius procesus, buvimas gyvuose organizmuose. Gyvybės atsiradimo iš negyvosios gamtos šalininkai teigia, kad organiška gamta atsirado dėl gamtos dėsnių veikimo. Vėliau ši koncepcija buvo sukonkretinta spontaniškos gyvybės kartos idėjoje.

Taigi, yra šios gyvybės atsiradimo hipotezės.

1. kreacionizmas . Pagal kreacionizmo sampratą, gyvybė atsirado dėl antgamtinių, t.y., pažeidžiančių fizikos dėsnius, praeities įvykių. Kreacionizmo samprata laikosi beveik visų labiausiai paplitusių religijų pasekėjai. Pagal Pradžios knygoje išdėstytas tradicines judėjų ir krikščionių idėjas apie pasaulio sukūrimą, pasaulį ir visus jame gyvenančius organizmus visagalis Kūrėjas sukūrė per 6 dienas, trukusias 24 valandas. Tačiau šiuo metu daugelis krikščionių Biblijos nelaiko moksline knyga ir tiki, kad joje yra teologinis apreiškimas apie visų gyvų būtybių Dievo sukūrimą, suprantama visiems laikų žmonėms.

Logiškai mąstant, negali būti jokio prieštaravimo tarp mokslinio ir teologinio pasaulio sukūrimo paaiškinimo. šios dvi mąstymo sritys yra viena kitą paneigiančios. Teologija atpažįsta tiesą per dievišką apreiškimą ir tikėjimą ir atpažįsta dalykus, kuriems nėra jokių įrodymų moksline šio žodžio prasme. Mokslas plačiai naudoja stebėjimus ir eksperimentus, mokslinė tiesa visada turi hipotezės elementą, o tikinčiajam teologinė tiesa yra absoliuti. Dieviškojo pasaulio kūrimo procesas suvokiamas kaip įvykęs vieną kartą, todėl jo negalima stebėti. Dieviškojo pasaulio sukūrimo samprata nepatenka į mokslinių tyrimų sritį, todėl mokslas, nagrinėjantis reiškinius, kuriuos galima stebėti, niekada negali įrodyti ar paneigti šios sampratos.

Antropinis principas, suformuluotas mūsų amžiaus aštuntajame dešimtmetyje, pasisako už neatsitiktinį gyvenimo atsiradimo ir vystymosi proceso pobūdį. Jo esmė slypi tame, kad net ir nedideli bet kurios pagrindinės konstantos vertės nukrypimai lemia, kad Visatoje neįmanoma atsirasti labai tvarkingų struktūrų ir, vadinasi, gyvybės. Taigi, Planko konstantai padidėjus 10%, protonas negali jungtis su neutronu, t.y. nukleosintezė tampa neįmanoma. Planko konstantai sumažėjus 10 %, susidarytų stabilus izotopas 2He, dėl kurio visas vandenilis sudegintų. ankstyvosios stadijos visatos plėtimasis. Neatsitiktinis pagrindinių konstantų verčių pobūdis gali rodyti „kūrybinio plano“ buvimą nuo pat Visatos formavimosi pradžios, o tai reiškia Kūrėjo, šio plano autoriaus, buvimą.

2. Hipotezė apie spontanišką gyvybės atsiradimą . Anot Aristotelio, tam tikrose materijos „dalelėse“ yra kažkoks „aktyvusis pradas“, kuris tinkamomis sąlygomis gali sukurti gyvą organizmą.

Hipotezė apie spontanišką gyvybės atsiradimą buvo plačiai paplitusi senovės Kinijoje, Babilone ir Egipte kaip alternatyva kreacionizmui. Sekdamas Empedokliu, kuris vienas pirmųjų išreiškė organinės evoliucijos idėją, Aristotelis laikėsi spontaniškos gyvybės atsiradimo sampratos, sujungdamas visus organizmus į vieną „gamtos kopėčias“. Anot Aristotelio, tam tikrose materijos „dalelėse“ yra kažkoks „aktyvusis pradas“, kuris tinkamomis sąlygomis gali sukurti gyvą organizmą. Šis pradas, pasak Aristotelio, yra apvaisintame kiaušinyje, saulės šviesoje, purve ir pūvančioje mėsoje. 1688 m. italų gydytojas Francesco Redi suabejojo ​​spontaniškos gyvybės atsiradimo teorija ir atliko daugybę eksperimentų, kuriais įrodė, kad gyvybė gali atsirasti tik iš ankstesnio gyvenimo (biogenezės samprata). Louis Pasteur (1860) galutinai paneigė spontaniškos gyvybės atsiradimo teoriją ir įrodė biogenezės teorijos pagrįstumą. L. Pasteur eksperimentai parodė, kad mikroorganizmai organiniuose tirpaluose atsiranda dėl to, kad anksčiau ten buvo įvežti jų embrionai. Jei indas su maistine terpe yra apsaugotas nuo mikrobų patekimo į jį, tada savaiminis gyvybės generavimas nevyksta.

Spontaniškos kartos samprata, nors ir klaidinga, suvaidino teigiamą vaidmenį; eksperimentai, skirti tai patvirtinti, suteikė daug empirinės medžiagos besivystantiems biologijos mokslas. Galutinis spontaniškos kartos idėjos atmetimas įvyko tik XIX a.

Patvirtinus biogenezės teoriją, iškilo pirmojo gyvo organizmo, iš kurio atsirado visi kiti, problema. Visose teorijose (išskyrus stacionarios būsenos teoriją) numanoma, kad tam tikru gyvenimo istorijos etapu įvyko perėjimas iš negyvo į gyvą. Kaip tai nutiko?

3. Pastovios būsenos hipotezė . Pagal šią hipotezę Žemė niekada neatsirado, bet egzistavo amžinai; Žemė visada buvo pajėgi palaikyti gyvybę. Rūšys egzistavo visada, kiekviena rūšis turi tik dvi galimybes: skaičiaus pasikeitimą arba išnykimą.

4. Panspermijos hipotezė teigia, kad gyvybė galėjo kilti vieną ar kelis kartus skirtingas laikas ir įvairiose visatos dalyse. Ši hipotezė iškilo XIX amžiaus 60-aisiais ir siejama su vokiečių mokslininko G. Richterio vardu. Vėliau panspermijos samprata pasidalijo tokie žymūs mokslininkai kaip S. Arrhenius, G. Helmholtz, V.I. Vernadskis. Šiai teorijai pagrįsti pasitelkiami NSO stebėjimai, senovinių, raketų ir ateivių uolų paveikslai ir kt. Sovietų ir Amerikos kosmoso tyrimai leidžia apskaičiuoti tikimybę rasti nežemiškos gyvybės viduje saulės sistema nereikšmingi, tačiau jie nesuteikia pagrindo patvirtinti ar paneigti gyvybės egzistavimą už jos ribų. Tiriant meteoritų ir kometų medžiagą, juose rasta daug „gyvųjų pirmtakų“ (cianogenų, cianido rūgšties ir kt.), galinčių atlikti gyvybės „sėklų“ vaidmenį. Kad ir kaip būtų, panspermijos teorija nėra gyvybės kaip tokios kilmės teorija; tai tiesiog perkelia gyvybės atsiradimo problemą į kitą visatos vietą.

XX amžiaus pradžioje. kosminės kilmės idėja biologines sistemasŽemėje ir gyvybės egzistavimo erdvėje amžinybę sukūrė rusų mokslininkas akademikas V.I. Vernadskis.

5. Amžinojo gyvybės egzistavimo hipotezė . Jis buvo pateiktas XIX a. Buvo manoma, kad gyvybė egzistuoja erdvėje ir keliauja iš vienos planetos į kitą.

6. Biocheminės evoliucijos hipotezė. Manoma, kad Žemės amžius yra 4,5–5 milijardai metų. Tolimoje praeityje mūsų planetos paviršiaus temperatūra siekė 4000–8000 laipsnių Celsijaus. Jai vėsstant, anglis ir ugniai atsparesni metalai kondensavosi, sudarydami žemės plutą; dėl vulkaninės veiklos, nepertraukiamų plutos judesių ir aušinimo sukeltų suspaudimų, susidarė raukšlės ir plyšimai. Žemės atmosfera senovėje buvo akivaizdžiai redukuojanti (seniausiose Žemės uolienose yra redukuojančios formos metalų, tokių kaip juodoji geležis, jaunesnėse uolienose yra oksiduotų metalų, tokių kaip geležies geležis). Atmosferoje deguonies praktiškai nebuvo. Gyvybės atsiradimas glaudžiai susijęs su Žemės vandenynų atsiradimu, kuris įvyko maždaug prieš 3,8 mlrd. Paleontologiniai duomenys rodo, kad vandens temperatūra juose nebuvo per žema, tačiau neviršijo 58 °C. Sluoksniuose aptikta pačių seniausių organizmų pėdsakų, kurių amžius vertinamas 3,2–3,5 milijardo metų.

Biocheminės evoliucijos hipotezę pateikė akademikas A.I. Oparinas (1894-1980) knygoje „Gyvybės kilmė“, išleistoje 1924 m.. Jis teigė, kad Redi principas, įvedantis biotinės organinių medžiagų sintezės monopolį, galioja tik šiuolaikinei gyvybės egzistavimo erai. mūsų planeta. Jos egzistavimo pradžioje, kai Žemė buvo negyva, joje vyko abiotinė anglies junginių sintezė ir vėlesnė jų ikibiologinė evoliucija.

Oparino hipotezės esmė tokia: gyvybės atsiradimas Žemėje yra ilgas evoliucinis gyvosios medžiagos formavimosi procesas negyvosios materijos gelmėse. Tai įvyko cheminės evoliucijos metu, dėl kurios iš neorganinių, veikiant galingiems fizikiniams ir cheminiams veiksniams, susidarė paprasčiausios organinės medžiagos.

Gyvybės atsiradimas A.I. Oparinas tai laikė vienu natūraliu procesu, kurį sudarė pradinė cheminė evoliucija, vykstanti ankstyvosios Žemės sąlygomis, kuri palaipsniui perėjo į kokybišką naujas lygis- biocheminė evoliucija. Atsižvelgdamas į gyvybės atsiradimo per biocheminę evoliuciją problemą, Oparinas išskiria tris perėjimo iš negyvos į gyvąją materiją etapus.

Pirmas lygmuo - cheminė evoliucija . Kai Žemė dar buvo negyva (prieš maždaug 4 mlrd. metų), joje vyko abiotinė anglies junginių sintezė ir vėlesnė jų prebiologinė evoliucija. Šis Žemės evoliucijos laikotarpis pasižymėjo daugybe ugnikalnių išsiveržimų, kai išsiliejo didžiulis kiekis raudonai įkaitusios lavos. Planetai vėsstant, atmosferoje esantys vandens garai kondensavosi ir krito ant Žemės lietaus metu, sudarydami didžiulius vandens plotus (pirminį vandenyną). Šie procesai tęsėsi daugybę milijonų metų. Pirminio vandenyno vandenyse buvo ištirpintos įvairios neorganinės druskos. Be to, įvairūs organiniai junginiai, kurie nuolat susidaro atmosferoje veikiant Ultravioletinė radiacija, aukšta temperatūra ir aktyvi vulkaninė veikla. Organinių junginių koncentracija nuolat didėjo, ir galiausiai vandenyno vandenys tapo " sultinio» iš į baltymus panašių medžiagų – peptidų.

26 paveikslas – Gyvybės atsiradimo schema pagal Opariną

Antrasis etapas - baltymų išvaizda . Sąlygoms Žemėje švelnėjant, veikiant elektros iškrovoms, šiluminei energijai ir ultravioletiniams spinduliams pirminio vandenyno cheminiams mišiniams, galimas išsilavinimas sudėtingi organiniai junginiai – biopolimerai ir nukleotidai, kurie palaipsniui jungdamiesi ir vis sudėtingesni pavirto į protobiontai (gyvų organizmų priešląsteliniai protėviai). Sudėtingų organinių medžiagų evoliucijos rezultatas buvo koacervatų arba koacervato lašų atsiradimas. koacervuoja - koloidinių dalelių kompleksai, kurių tirpalas yra padalintas į du sluoksnius: sluoksnį, kuriame gausu koloidinių dalelių, ir beveik jų neturintį skystį. Koacervatai turėjo galimybę absorbuoti įvairias medžiagas, ištirpusias pirminio vandenyno vandenyse. Kaip rezultatas vidinė struktūra koacervatai keitėsi jų stabilumo didinimo kryptimi nuolat kintančiomis sąlygomis. Biocheminės evoliucijos teorija koacervatus laiko prebiologinėmis sistemomis, kurios yra molekulių grupės, apsuptos vandens apvalkalo. Taigi, pavyzdžiui, koacervatai gali absorbuoti medžiagas iš aplinkos, sąveikauti tarpusavyje, padidinti dydį ir pan. Tačiau skirtingai nei gyvos būtybės, koacerviniai lašai nėra pajėgūs savaime daugintis ir reguliuotis, todėl jų negalima priskirti prie biologinių sistemų.

Trečiasis etapas yra gebėjimo savarankiškai daugintis formavimas, gyvos ląstelės išvaizda . Šiuo laikotarpiu pradėjo veikti natūrali atranka, t.y. koacervatinių lašų masėje vyko koacervatų, atspariausių duotoms aplinkos sąlygoms, atranka. Atrankos procesas tęsiasi daugybę milijonų metų. Išlikę koacervato lašai jau turėjo pirminio metabolizmo gebėjimą, pagrindinę gyvybės savybę. Tuo pačiu metu, pasiekęs tam tikrą dydį, pirminis lašas suskilo į vaikų lašelius, kurie išlaikė pirminės struktūros ypatybes. Taigi galime kalbėti apie savaiminio dauginimosi savybę – vieną iš koacervatų svarbiausias savybes gyvenimą. Tiesą sakant, šiame etape koacervatai tapo paprasčiausiais gyvais organizmais. Tolesnė šių prebiologinių struktūrų evoliucija buvo įmanoma tik komplikavus medžiagų apykaitos procesus koacervato viduje.

Vidinė aplinka coacervata reikalinga apsauga nuo aplinkos poveikio. Todėl aplink koacervatus, kuriuose gausu organinių junginių, susidarė lipidų sluoksniai, atskiriantys koacervatus nuo aplinkinių. vandens aplinka. Evoliucijos metu lipidai buvo transformuoti į išorinė membrana, kuris žymiai padidino organizmų gyvybingumą ir atsparumą. Membranos atsiradimas iš anksto nulėmė tolesnės biologinės evoliucijos kryptį vis tobulesnio autoreguliavimo keliu, kurio kulminacija buvo pirminės ląstelės - archeląstelės - susidarymas. Ląstelė yra elementarus biologinis vienetas, visų gyvų dalykų struktūrinis ir funkcinis pagrindas. Ląstelės vykdo savarankišką medžiagų apykaitą, geba dalytis ir reguliuotis, t.y. turi visas gyvų būtybių savybes. Naujų ląstelių susidarymas iš neląstelinės medžiagos yra neįmanomas, ląstelių dauginimasis vyksta tik dėl dalijimosi. Organinis vystymasis laikomas universaliu ląstelių formavimosi procesu.

Ląstelės struktūroje išskiriama membrana, kuri riboja ląstelės turinį nuo išorinė aplinka; citoplazma, kuri yra druskos tirpalas su tirpiais ir suspenduotais fermentais bei RNR molekulėmis; chromosomų turintis branduolys, susidedantis iš DNR molekulių ir prie jų prisijungusių baltymų.

Todėl gyvenimo pradžia reikėtų laikyti stabilios savaime besidauginančios organinės sistemos (ląstelės) su pastovia nukleotidų seka atsiradimą. Tik atsiradus tokioms sistemoms galime kalbėti apie biologinės evoliucijos pradžią.

Perėjimas iš negyvojo į gyvąjį įvyko po to, kai pirmtakų pagrindu atsirado ir išsivystė dviejų pagrindinių gyvybės sistemų užuomazgos: medžiagų apykaitos sistema ir gyvos ląstelės materialių pamatų dauginimosi sistema.

Tikimybė, kad baltymo molekulė, susidedanti iš 100 aminorūgščių iš 20 tipų, atsitiktinai susiformuos pagal tam tikrą modelį, yra 1/20 100 ≈ 1/10 130 . gyva ląstelė- sąveikaujančių baltymų, lipidų ir nukleotidų kompleksas, sudarantis genetinį kodą. Paprasčiausioje ląstelėje yra daugiau nei 2000 fermentų. Atsitiktinio susiformavimo tikimybė tokių sudėtingos struktūros mažas.

XX amžiaus viduryje eksperimentiškai įrodyta abiogeninės biopolimerų sintezės galimybė. 1953 metais amerikiečių mokslininkas S. Milleris sumodeliavo pirminę Žemės atmosferą ir, leisdamas elektros krūvius per dujų (vandens, anglies dioksido, vandenilio, azoto, metano) mišinį, susintetino acto ir skruzdžių rūgštis, karbamidą ir aminorūgštis. Taip buvo parodyta, kaip veikiant abiogeniniams veiksniams įmanoma sudėtingų organinių junginių sintezė.

Nepaisant teorinio ir eksperimentinio pagrįstumo, Oparino koncepcija turi ir privalumų, ir trūkumų. Stiprus argumentas koncepcija yra gana tikslus eksperimentinis cheminės evoliucijos pagrindimas, pagal kurį gyvybės kilmė yra natūralus materijos ikibiologinės evoliucijos rezultatas. Įtikinamas argumentas šios koncepcijos naudai taip pat yra galimybė eksperimentiškai patikrinti jos pagrindines nuostatas. Silpnoji koncepcijos pusė yra tai, kad neįmanoma paaiškinti paties šuolio nuo sudėtingų organinių junginių prie gyvų organizmų momento.

Vieną perėjimo nuo prebiologinės prie biologinės evoliucijos versijų siūlo vokiečių mokslininkas M. Eigenas. Pagal jo hipotezę gyvybės atsiradimas aiškinamas nukleorūgščių ir baltymų sąveika. Nukleorūgštys yra genetinės informacijos nešėjos, o baltymai tarnauja kaip cheminių reakcijų katalizatoriai. Nukleino rūgštys dauginasi pačios ir perduoda informaciją baltymams. Atsiranda uždara grandinė - hiperciklas, kuriame cheminių reakcijų procesai savaime pagreitėja dėl katalizatorių buvimo. Hipercikluose reakcijos produktas vienu metu veikia ir kaip katalizatorius, ir kaip pradinis reagentas. Tokios reakcijos vadinamos autokatalitinėmis.

Kita teorija, galinti paaiškinti perėjimą nuo prebiologinės prie biologinės evoliucijos, yra sinergija . Sinergetikų atrasti modeliai leidžia išsiaiškinti organinės medžiagos atsiradimo iš neorganinių medžiagų mechanizmą, kalbant apie saviorganizaciją per spontanišką naujų struktūrų atsiradimą atvirai sistemai sąveikaujant su aplinką.

Šimtmečius ir net tūkstantmečius filosofai ir istorikai, biologai ir chemikai galvojo apie tai, kaip mūsų planetoje atsirado gyvybė, tačiau vis dar nėra sutarimo šiuo klausimu, todėl šiuolaikinė visuomenė Yra keletas teorijų, kurios visos turi teisę egzistuoti.

Spontaniška gyvybės kilmė

Ši teorija susiformavo senovėje. Jo kontekste mokslininkai teigia, kad gyvos būtybės atsirado iš negyvos medžiagos. Norint patvirtinti arba paneigti šią teoriją, buvo atlikta daug eksperimentų. Taigi L. Pasteuras gavo prizą už sultinio virimo kolboje eksperimentą, kurio rezultatas buvo įrodyta, kad visi gyvi organizmai gali atsirasti tik iš gyvos medžiagos. Tačiau iškyla naujas klausimas: iš kur mūsų planetoje atsirado organizmai, iš kurių atsirado gyvybė?

kreacionizmas

Ši teorija daro prielaidą, kad visą gyvybę Žemėje beveik vienu metu sukūrė kokia nors aukštesnė būtybė, turinti supergalių, nesvarbu, ar tai būtų dievybė, Absoliutas, superprotas ar kosminė civilizacija. Ši hipotezė buvo aktuali nuo seniausių laikų, ji yra ir visų pasaulio religijų pagrindas. Tai dar nepaneigta, nes mokslininkams nepavyko rasti pagrįsto paaiškinimo ir patvirtinimo visiems sudėtingiems planetoje vykstantiems procesams ir reiškiniams.

Stacionari būklė ir panspermija

Šios dvi hipotezės leidžia pateikti bendrą pasaulio viziją taip, kad išorinė erdvė egzistuoja nuolat, tai yra amžinybė (stacionari būsena), o joje yra gyvybė, kuri periodiškai persikelia iš vienos planetos į kitą. Gyvybės formos keliauja meteoritų pagalba (panspermijos hipotezė). Sutikti su šia teorija neįmanoma, nes astrofizikai mano, kad visata atsirado maždaug prieš 16 milijardų metų dėl pirminio sprogimo.

Biocheminė evoliucija

Ši teorija yra aktualiausia šiuolaikiniame moksle ir yra laikoma priimta daugelio pasaulio šalių mokslo bendruomenėje. Jį sudarė A.I. Oparinas, sovietų biochemikas. Remiantis šia hipoteze, gyvybės formų atsiradimas ir komplikacija atsiranda dėl cheminės evoliucijos, dėl kurios sąveikauja visų gyvų dalykų elementai. Pirmiausia Žemė susiformavo kaip kosminis kūnas, vėliau atsiranda atmosfera, vyksta organinių molekulių ir medžiagų sintezė. Po to per milijonus ir milijardus metų atsiranda įvairių gyvų būtybių. Šią teoriją patvirtina daugybė eksperimentų, tačiau, be jos, yra ir nemažai kitų hipotezių, į kurias reikėtų atsižvelgti.

Gyvybės ir gyvybės problema yra daugelio gamtos mokslų, pradedant biologija ir baigiant filosofija, matematika, nagrinėjančia abstrakčius gyvojo reiškinio modelius, taip pat fizikos, apibrėžiančios gyvenimą fizinių dėsnių požiūriu, objektas. .

Aplink šią pagrindinę problemą sutelktos visos kitos konkretesnės problemos ir klausimai, taip pat kuriami filosofiniai apibendrinimai ir išvados.

Pagal dvi pasaulėžiūrines pozicijas – materialistinę ir idealistinę – net antikinėje filosofijoje susiformavo priešingos gyvybės kilmės sampratos: kreacionizmas ir materialistinė kilmės teorija organinis iš neorganinis.

Rėmėjai kreacionizmas teigia, kad gyvybė atsirado dėl dieviškojo kūrimo akto, kurio įrodymas yra ypatingos jėgos, valdančios visus biologinius procesus, buvimas gyvuose organizmuose.

Gyvybės atsiradimo iš negyvosios gamtos šalininkai teigia, kad organinė gamta atsirado veikiant gamtos dėsniams. Vėliau ši koncepcija buvo sukonkretinta spontaniškos gyvybės kartos idėjoje.

Spontaniškos kartos samprata, nepaisant klaidingumo, vaidino teigiamą vaidmenį; eksperimentai, skirti tai patvirtinti, suteikė daug empirinės medžiagos besivystančiam biologijos mokslui. Galutinis spontaniškos kartos idėjos atmetimas įvyko tik XIX a.

XIX amžiuje taip pat buvo pateiktas hipotezė apie amžiną gyvybės egzistavimą ir jo kosminė kilmė Žemėje. Buvo manoma, kad gyvybė egzistuoja erdvėje ir keliauja iš vienos planetos į kitą.

XX amžiaus pradžioje. idėja kosminės kilmės biologines sistemas Žemėje ir gyvybės egzistavimo erdvėje amžinybę sukūrė rusų akademikas Į IR. Vernadskis.

Akademiko A.I. hipotezė. Oparina

Iš esmės nauja hipotezė gyvybės kilmę nubrėžė akademikas A.I. Oparinas knygoje „Gyvybės kilmė“, išleistas 1924 m. Jis pareiškė, kad Redi principas, įvedant biotinės organinių medžiagų sintezės monopolį, galioja tik šiuolaikinei mūsų planetos egzistavimo erai. Jos egzistavimo pradžioje, kai Žemė buvo negyva, joje vyko abiotinė anglies junginių sintezė ir vėlesnė jų ikibiologinė evoliucija.

Oparino hipotezės esmė yra tokia: gyvybės atsiradimas Žemėje yra ilgas evoliucinis gyvosios medžiagos formavimosi negyvosios materijos gelmėse procesas. Tai atsitiko cheminės evoliucijos metu, dėl kurios iš neorganinių medžiagų, veikiant galingiems fiziniams ir cheminiams procesams, susidarė paprasčiausios organinės medžiagos.

Gyvybės atsiradimą jis laikė vienu natūraliu procesu, kurį sudarė pradinė cheminė evoliucija, vykstanti ankstyvosios Žemės sąlygomis, kuri palaipsniui perėjo į kokybiškai naują lygį – biocheminę evoliuciją.

Atsižvelgdamas į gyvybės atsiradimo per biocheminę evoliuciją problemą, Oparinas išskiria tris perėjimo iš negyvos į gyvąją materiją etapus.

Pirmasis etapas yra cheminė evoliucija. Kai Žemė dar buvo negyva (prieš maždaug 4 milijardus metų), abiotinė anglies junginių sintezė ir vėlesnė jų prebiologinė evoliucija.

Šis Žemės evoliucijos laikotarpis pasižymėjo daugybe ugnikalnių išsiveržimų, kai išsiliejo didžiulis kiekis raudonai įkaitusios lavos. Planetai vėsstant, atmosferoje esantys vandens garai kondensavosi ir krito ant Žemės lietaus metu, sudarydami didžiulius vandens plotus (pirminį vandenyną). Šie procesai tęsėsi daugybę milijonų metų. Pirminio vandenyno vandenyse buvo ištirpintos įvairios neorganinės druskos. Be to, į vandenyną pateko ir įvairių organinių junginių, kurie nuolat susidaro atmosferoje veikiant ultravioletiniams spinduliams, aukštai temperatūrai, aktyviam vulkaniniam aktyvumui.

Organinių junginių koncentracija nuolat didėjo, ir galiausiai vandenyno vandenys tapo " sultinio»iš į baltymus panašių medžiagų — peptidų.

Antrasis etapas yra baltymų atsiradimas. Minkštėjant sąlygoms Žemėje, veikiant pirminio vandenyno cheminiams mišiniams elektros iškrovoms, šiluminei energijai ir ultravioletiniams spinduliams, susidarė sudėtingi organiniai junginiai – biopolimerai ir nukleotidai, kurie, palaipsniui jungdamiesi ir vis sudėtingesni, virto protobiontai(gyvų organizmų priešląsteliniai protėviai). Sudėtingų organinių medžiagų evoliucijos rezultatas buvo išvaizda koacervuoja, arba koacervuoti lašai.

koacervuoja- koloidinių dalelių kompleksai, kurių tirpalas yra padalintas į du sluoksnius: sluoksnį, kuriame gausu koloidinių dalelių, ir beveik jų neturintį skystį. Koacervatai turėjo galimybę absorbuoti įvairias medžiagas, ištirpusias pirminio vandenyno vandenyse. Dėl to koacervatų vidinė struktūra keitėsi jų stabilumo didinimo kryptimi nuolat kintančiomis sąlygomis.

Biocheminės evoliucijos teorija koacervatus laiko prebiologinėmis sistemomis, kurios yra molekulių grupės, apsuptos vandens apvalkalo.

Taigi, pavyzdžiui, koacervatai gali absorbuoti medžiagas iš aplinkos, sąveikauti tarpusavyje, padidinti dydį ir pan. Tačiau skirtingai nei gyvos būtybės, koacerviniai lašai negali savaime daugintis ir reguliuotis, todėl jų negalima priskirti biologinėms sistemoms.

Trečias etapas – gebėjimo savarankiškai daugintis formavimasis, gyvos ląstelės atsiradimas.Šiuo laikotarpiu pradėjo veikti natūrali atranka, t.y. koacervato lašelių masėje buvo atrinkti koacervatai, atspariausi pateiktoms aplinkos sąlygoms. Atrankos procesas tęsiasi daugybę milijonų metų. Išlikę koacervato lašai jau turėjo pirminio metabolizmo gebėjimą, pagrindinę gyvybės savybę.

Tuo pačiu metu, pasiekęs tam tikrą dydį, pirminis lašas suskilo į vaikų lašelius, kurie išlaikė pirminės struktūros ypatybes.

Taigi galima kalbėti apie koacervatų įgijimą savaiminės gamybos nuosavybės – vieno iš svarbiausių gyvybės ženklų. Tiesą sakant, šiame etape koacervatai tapo paprasčiausiais gyvais organizmais.

Tolesnė šių prebiologinių struktūrų evoliucija buvo įmanoma tik komplikavus medžiagų apykaitos procesus koacervato viduje.

Koacervato vidinę aplinką reikėjo apsaugoti nuo aplinkos poveikio. Todėl aplink koacervatus, kuriuose gausu organinių junginių, susidarė lipidų sluoksniai, atskiriantys koacervatus nuo aplinkinės vandeninės terpės. Evoliucijos procese lipidai buvo transformuoti į išorinę membraną, kuri žymiai padidino organizmų gyvybingumą ir atsparumą.

Membranos atsiradimas iš anksto nulėmė tolesnės biologinės evoliucijos kryptį vis tobulesnio autoreguliavimo keliu, kurio kulminacija buvo pirminės ląstelės, archeląstės, susidarymas. Ląstelė yra elementarus biologinis vienetas, visų gyvų dalykų struktūrinis ir funkcinis pagrindas. Ląstelės vykdo savarankišką medžiagų apykaitą, geba dalytis ir reguliuotis, t.y. turi visas gyvų būtybių savybes. Naujų ląstelių susidarymas iš neląstelinės medžiagos yra neįmanomas, ląstelių dauginimasis vyksta tik dėl dalijimosi. Organinis vystymasis laikomas universaliu ląstelių formavimosi procesu.

Ląstelės struktūroje yra: membrana, kuri riboja ląstelės turinį nuo išorinės aplinkos; citoplazma, kuri yra druskos tirpalas su tirpiais ir suspenduotais fermentais bei RNR molekulėmis; chromosomų turintis branduolys, susidedantis iš DNR molekulių ir prie jų prisijungusių baltymų.

Todėl gyvenimo pradžia reikėtų laikyti stabilios savaime besidauginančios organinės sistemos (ląstelės) su pastovia nukleotidų seka atsiradimą. Tik atsiradus tokioms sistemoms galime kalbėti apie biologinės evoliucijos pradžią.

XX amžiaus viduryje eksperimentiškai įrodyta abiogeninės biopolimerų sintezės galimybė. 1953 metais amerikiečių mokslininkas S. Mileris modeliavo Žemės pirmykštę atmosferą ir, leisdamas elektros krūvius per inertinių dujų mišinį, susintetino acto ir skruzdžių rūgštis, karbamidą ir aminorūgštis. Taip buvo parodyta, kaip veikiant abiogeniniams veiksniams įmanoma sudėtingų organinių junginių sintezė.

Nepaisant teorinio ir eksperimentinio pagrįstumo, Oparino koncepcija turi ir privalumų, ir trūkumų.

Koncepcijos stiprybė – gana tikslus eksperimentinis cheminės evoliucijos pagrindimas, pagal kurį gyvybės kilmė yra natūralus materijos ikibiologinės evoliucijos rezultatas.

Įtikinamas argumentas šios koncepcijos naudai taip pat yra galimybė eksperimentiškai patikrinti jos pagrindines nuostatas.

Silpnoji koncepcijos pusė yra tai, kad neįmanoma paaiškinti paties šuolio nuo sudėtingų organinių junginių prie gyvų organizmų momento.

Vieną perėjimo nuo prebiologinės prie biologinės evoliucijos versijų siūlo vokiečių mokslininkas M. Eigenas. Pagal jo hipotezę gyvybės atsiradimas aiškinamas nukleorūgščių ir baltymų sąveika. Nukleorūgštys yra genetinės informacijos nešėjos, o baltymai tarnauja kaip cheminių reakcijų katalizatoriai. Nukleino rūgštys dauginasi pačios ir perduoda informaciją baltymams. Atsiranda uždara grandinė - hiperciklas, kuriame cheminių reakcijų procesai savaime pagreitėja dėl katalizatorių buvimo ir spūsčių.

Hipercikluose reakcijos produktas vienu metu veikia ir kaip katalizatorius, ir kaip pradinis reagentas. Tokios reakcijos vadinamos autokatalitinėmis.

Sinergetika yra dar viena teorija, galinti paaiškinti perėjimą nuo prebiologinės prie biologinės evoliucijos. Sinergetikų atrasti dėsningumai leidžia išsiaiškinti organinės medžiagos atsiradimo iš neorganinių medžiagų mechanizmą saviorganizacijos požiūriu per spontanišką naujų struktūrų atsiradimą atviros sistemos sąveikos su aplinka metu.

Pastabos apie gyvybės atsiradimo teoriją ir biosferos atsiradimą

Šiuolaikiniame moksle yra priimta hipotezė apie abiogeninę (nebiologinę) gyvybės kilmę veikiant natūralioms priežastims dėl ilgo kosminės, geologinės ir cheminės evoliucijos proceso - abiogenezės, kurios pagrindas buvo hipotezė. akademiko A. I. Oparino. Abiogenezės koncepcija neatmeta gyvybės egzistavimo erdvėje ir jos kosminės kilmės Žemėje galimybės.

Tačiau, remiantis šiuolaikiniais mokslo pasiekimais, prie A.I. hipotezės. Oparin siūlo šiuos paaiškinimus.

Vandenyno vandens paviršiuje (ar šalia jo) gyvybė negalėjo atsirasti, nes tais tolimais laikais Mėnulis buvo daug arčiau Žemės nei dabar. Potvynių bangos turėjo būti didelio aukščio, didelės griaunamosios galios. Tokiomis sąlygomis protobiontai tiesiog negalėjo susidaryti.

Dėl ozono sluoksnio trūkumo, veikiant stipriai ultravioletinei spinduliuotei, protobiontai taip pat negalėjo egzistuoti. Tai rodo, kad gyvybė galėjo atsirasti tik vandens storymėje.

Dėl ypatingų sąlygų gyvybė galėjo atsirasti tik pirminio vandenyno vandenyje, bet ne paviršiuje, o apačioje plonose organinės medžiagos plėvelėse, adsorbuotose pirito ir apatito kristalų paviršių, matyt, prie geoterminių šaltinių. Nuo tada buvo nustatyta, kad vulkanų išsiveržimų produktuose susidaro organiniai junginiai, o vulkaninė veikla po vandenynu senovėje buvo labai aktyvi. Senovės vandenyne nebuvo ištirpusio deguonies, galinčio oksiduoti organinius junginius.

Šiandien manoma, kad protobiontai buvo RNR molekulės, bet ne DNR, nes buvo įrodyta, kad evoliucijos procesas iš RNR perėjo į baltymą, o vėliau iki DNR molekulės susidarymo, kuriame S-N jungtis buvo stipresni nei C-OH ryšiai RNR. Tačiau aišku, kad RNR molekulės negalėjo atsirasti dėl sklandaus evoliucinio vystymosi. Tikriausiai įvyko šuolis su visais materijos savaiminio organizavimo ypatumais, kurių mechanizmas šiuo metu nėra aiškus.

Pirminė biosfera vandens storymėje tikriausiai buvo vaizduojama turtinga funkcine įvairove. Ir pirmasis gyvybės pasirodymas turėjo įvykti ne kokios nors vienos rūšies organizmo pavidalu, o organizmų visuma. Daugelis pirminių biocenozių turėjo atsirasti iš karto. Juos sudarė paprasčiausi vienaląsčiai organizmai, galintys atlikti visas be išimties gyvosios medžiagos funkcijas biosferoje.

Šie paprasčiausi organizmai buvo heterotrofai (maitinosi jau paruoštais organiniais junginiais), buvo prokariotai (organizmas be branduolio), buvo anaerobai (kaip energijos šaltinį naudojo mielių fermentaciją).

Dėl ypatingų anglies savybių šiuo pagrindu atsirado gyvybė. Tačiau jokie šiuolaikiniai duomenys neprieštarauja gyvybės atsiradimo galimybei ne tik anglies pagrindu.

Kai kurios ateities kryptys tiriant gyvybės kilmę

XXI amžiuje Siekdami išsiaiškinti gyvybės kilmės problemą, mokslininkai rodo didesnį susidomėjimą dviem objektais - į Jupiterio mėnulį atidarytas 1610 m G. Galilėjus. Jis yra 671 000 km atstumu nuo Žemės. Jo skersmuo yra 3100 km. Jį dengia daugybė kilometrų ledo. Tačiau po ledo danga yra vandenynas, ir jis galėjo išsaugoti paprasčiausias senovės gyvybės formas.

Kitas objektas - rytinis ežeras, kuris vadinamas reliktų rezervuaru. Jis yra Antarktidoje po keturių kilometrų ilgio ledo sluoksniu. Mūsų tyrėjai jį atrado atlikę giliavandenius gręžinius. Šiuo metu kuriama tarptautinė programa, kuria siekiama prasiskverbti į šio ežero vandenis nepažeidžiant jo reliktinio grynumo. Gali būti, kad yra kelių milijonų metų senumo reliktiniai organizmai.

Taip pat didelis susidomėjimas Rumunijoje aptiktas urvas be prieigos prie šviesos. Kai jie išgręžė įėjimą į šį urvą, jie atrado aklų gyvų organizmų, tokių kaip vabzdžiai, kurie minta mikroorganizmais, egzistavimą. Šie mikroorganizmai savo egzistavimui naudoja neorganinius junginius, kurių sudėtyje yra vandenilio sulfido, patenkančio iš šio urvo dugno. Šiame urve nėra šviesos, bet yra vandens.

Ypatingą susidomėjimą kelia mikroorganizmai, neseniai tyrime atrado amerikiečių mokslininkai vienas iš druskos ežerų.Šie mikroorganizmai pasižymi išskirtiniu atsparumu aplinkai. Jie gali gyventi net grynai arseno aplinkoje.

Taip pat patraukė didelis dėmesys organizmai, gyvenantys vadinamuosiuose „juoduosiuose rūkaliuose“ (2.1 pav.).

Ryžiai. 2.1. Vandenyno dugno „juodieji rūkaliai“ (karšto vandens srovės rodomos rodyklėmis)

„Juodieji rūkaliai“ – tai daugybė hidroterminių angų, veikiančių vandenynų dugne, apribotos ašinėmis vidurio vandenyno keterų dalimis. Nuo jų iki vandenynų apačioje aukštas spaudimas esant 250 atm. labai mineralizuotas karštas vanduo(350 °C). Jų indėlis į Žemės šilumos srautą siekia apie 20 proc.

Hidroterminės vandenyno angos perneša ištirpusius elementus iš vandenyno plutos į vandenynus, pakeičia plutą ir labai reikšmingai prisideda prie vandenynų cheminės sudėties. Kartu su vandenyno plutos susidarymo ciklu vandenynų keterose ir jos perdirbimu į mantiją, hidroterminis pakeitimas yra dviejų pakopų sistema, skirta elementų perkėlimui tarp mantijos ir vandenynų. Akivaizdu, kad vandenyno pluta, perdirbta į mantiją, yra atsakinga už dalį mantijos nehomogeniškumo.

Vandenyno vidurio kalnagūbrių hidroterminėse angose ​​gyvena neįprastos biologinės bendruomenės, kurios energiją gauna iš hidroterminių skysčių junginių skilimo (jet black).

Okeaninėje plutoje, matyt, yra giliausios biosferos vietos, siekiančios 2500 m gylį.

Hidroterminės versmės labai prisideda prie Žemės šilumos balanso. Po vidurinėmis keteromis mantija yra arčiausiai paviršiaus. Jūros vanduo pro plyšius prasiskverbia į vandenyno plutą į nemažą gylį, dėl šilumos laidumo įkaista nuo mantijos šilumos ir telkiasi magmos kamerose.

Gilus aukščiau išvardytų „ypatingų“ objektų tyrimas neabejotinai paskatins mokslininkus objektyviau suprasti gyvybės atsiradimo mūsų planetoje ir jos biosferos formavimosi problemą.

Tačiau reikia pažymėti, kad iki šiol nebuvo įmanoma gauti gyvybės eksperimentiniu būdu.

Problema gyvybės žemėje kilmė jau seniai domino ir rūpi žmogui. Yra keletas hipotezių apie gyvybės kilmę mūsų planetoje:

gyvenimas sukurtas Dievo;
gyvybė Žemėje atnešama iš išorės;
gyvi daiktai planetoje ne kartą spontaniškai susikūrė iš negyvų dalykų;
gyvenimas visada egzistavo;
gyvybė atsirado dėl biocheminės revoliucijos.

Visa skirtingų hipotezių įvairovė susiveda į du vienas kitą paneigiančius požiūrius. Biogenezės teorijos šalininkai tikėjo, kad visa gyva atsiranda tik iš gyvų būtybių. Jų priešininkai gynė abiogenezės teoriją – manė, kad gyvieji gali kilti iš negyvojo.

Daugelis mokslininkų pripažino spontaniškos gyvybės atsiradimo galimybę. Spontaniškos gyvybės kartos neįmanoma įrodė Louisas Pasteuras.

Antrasis etapas – baltymų, riebalų, angliavandenių, nukleorūgščių susidarymas iš paprastų organinių junginių pirminio vandenyno vandenyse. Skirtingos šių junginių molekulės buvo koncentruotos ir susidarė koacervatai, veikdami kaip atviros sistemos, galinčios keistis medžiagomis su aplinka ir augti.

Trečiasis etapas - dėl koacervacijų sąveikos su nukleino rūgštys susiformavo pirmosios gyvos būtybės – probiontai, gebantys, be augimo ir medžiagų apykaitos, savaime daugintis.