asyan.org
добавить свой файл
1
Виникнення життя на Землі

Дані астрономії та геології свідчать, що вік Землі становить приблизно 4,5 - 5 млрд. років. Вважається, в минулому стан нашої планети був мало схожий на сьогодняшній: ймовірно температура на поверхні була дуже високою (4000 - 8000°С), і по мірі того, як Земля остигала, тугоплавкі метали конденсувалися і утворили земну кору; поверхня планети була, ймовірно, голою і нерівною, оскільки на ній внаслідок вулканічної активності, переміщень і стиснень кори, викликаної охолоджуванням, відбувалося утворення складок і розривів.

Вважають, що гравітаційне поле ще недостатньо щільної планети не могло втримувати легкі гази: водень, кисень, азот, гелій і аргон, і вони йшли з атмосфери. Але прості з'єднання, що містять серед інших ці елементи (вода, аміак, CO2 і метан). Доти, поки температура Землі не впала нижче за 100°C, вся вода знаходилася в пароподібному стані. Атмосфера була, очевидно, «відновною», про що свідчить наявність в самих древніх породах металів у відновленій формі (наприклад, двовалентне залізо). Більш молоді породи містять метали в окисленій формі (Fe3+). Відсутність кисня, ймовірно, була необхідною умовою для виникнення життя; як показують лабораторні досліди, органічні речовини (основа життя) набагато легше утворяться в атмосфері бідній киснем.

Гіпотеза Опаріна

У 1923 р. А.І Опарін, виходячи з теоретичних міркувань, запропонував думку, що органічні речовини, можливо вуглеводні, могли створюватися в океані з більш простих сполук. Енергію для цих процесів постачала інтенсивна сонячна радіація, головним чином ультрафіолетове випромінювання, що падало на Землю до того, як утворився шар озону, який став затримувати велику її частину. На думку Опаріна, різноманітність простих сполук, що знаходилися в океанах, площа поверхні Землі, доступність енергії і масштаби часу дозволяють передбачити, що в океанах поступово нагромадилися органічні речовини і утворився «первісний бульйон», в якому могло виникнути життя.

У 1953 р. Стенлі Міллер у ряді експериментів моделював умови, що приблизно існували на первісній Землі. У створеній ним установці йому вдалося синтезувати багато речовин, що мають важливе біологічне значення, в тому числі ряд амінокислот, аденін і простий цукор, такий як рибоза. Після цього Орджел в Інституті Солка в схожому експерименті синтезував нуклеотидні ланцюга довжиною в шість мономірних одиниць (прості нуклеїнові кислоти).

Виникнення подібних з'єднань в природі є досить очікуваним. Амінокислота гліцин (складова частина білків) має досить нескладну формулу C2H5NO2. Тому у навіть у місячному ґрунті та метеоритах Оргейл, Муррей та Мерчисон були виявлені амінокислоти: гліцин, глутамін, аланін, аспаргін, серін. Однак у жодному з дослідів Міллера та інших дослідників не вдавалось синтезувати всі 20 амінокислот (кількість амінокислот у живих організмах) одночасно. Крім цього концентрація амінокислот в "бульйоні" була всеж занадто малою (бл. 2%). У випадку якби ці реакції відбувались у невеликій водоймі, цим речовинам загрожувало би звичайне розсіяння.

Також слід відзначити, що умови в яких Стенлі Міллер проводив свої досліди були все ж досить далекі до природніх. Наприклад у дослідах Міллера один і той самий об'єм газів піддавався дії електричних розрядів протягом тижня. Це означало, що реальна тривалість контакту газів з електричним розрядом у порівнянні з блискавкою була перевищена у мільйони разів.

Окрему проблему також становить твердження про відсутність кисню в первинній атмосфері Землі. Це твердження все ще вважається досить спірним для сучасної науки. А при наяавності кисню синтез складних сполук вважається неможливим.

Ці та інші проблеми змусили в 1960-х роках шведських вчених — хіміка Л. Сіллен та геолога М. Руттен відкинути концепцію "первинного бульйону" як хімічно невірогідну.

Пізніше виникло припущення, що в первинній атмосфері у відносно високої концентрації містився двоокис вуглеводу. Нещодавні експерименти, проведені з використанням установки Мілера, в яку вмістили суміш CO2 і H2O, і тільки слідові кількості інших газів, дали такі ж результати, які отримав Мілер. Теорія Опаріна завоювала широке визнання, але вона не вирішує проблеми, пов'язані з переходом від складних органічних речовин до простих живих організмів. Саме в цьому аспекті теорія біохімічної еволюції представляє загальну схему, прийнятну для більшості біологів.

Опарін вважав, що вирішальна роль в перетворенні неживого в живе належала білкам. Завдяки амфотерності білків вони здібні до утворення колоїдних гідрофільних комплексів - притягають до себе молекули води, що створюють навколо них оболонку. Ці комплекси можуть відособлюватися від водної фази, в якій вони суспендировані, і утворювати свого роду емульсію. Злиття таких комплексів один з одним призводить до відділення колоїдів від середовища - процес, званий коацервацією. Багаті колоїдами коацервати, можливо, були здатні обмінюватися з навколишнім середовищем речовинами і вибірково нагромаджувати різні сполуки, особливо кристалоїди. Колоїдний склад даного коацервату, очевидно, залежав від складу середовища. Різноманітність складу «бульйону» в різних місцях вела до відмінностей в складі коацерватів і постачала таким чином сировину для «біохімічного природного відбору».

Передбачається, що в самих коацерватах речовини вступали в подальші хімічні реакції; при цьому відбувалося поглинання коацерватами іонів металів і утворення ферментів. На межі між коацерватами і середовищем шикувалися молекули ліпідів, що призводило до утворення примітивної клітинної мембрани, що забезпечувала коацерватам стабільність. Внаслідок включення в коацерват передіснуючої молекули, здатної до самовідтворення і внутрішньої перебудови покритого ліпідною оболонкою коацервата, могла виникнути первинна клітина. Збільшення розмірів коацерватів і їх фрагментація, можливо, вели до утворення ідентичних коацерватів, які могли поглинати більше компонентів середовища, так, що цей процес міг продовжуватися. Така гадана послідовність подій повинна була призвести до появи примітивного самовідтворюваного гетеротрофного організму, що харчувався органічними речовинами первинного бульйону. Хоч цю гіпотезу походження життя визнають дуже багато які вчені, у деяких вона викликає сумніви через велику кількість допущень і припущень. Астроном Фред Хойл нещодавно висловив думку, що думка про виникнення життя внаслідок описаних вище випадкових взаємодій молекул «так само безглузда й неправдоподібна, як твердження, що ураган, що пронісся над сміттєвим звалищем, може привести до збирання Боїнга-747». Саме важке для цієї теорії пояснити появу здатності живих систем до самовідтворення. Гіпотези з цього питання поки малопереконливі.

Гіпотеза РНК-світу

Основна стаття: Гіпотеза світу РНК

Ця гіпотеза виникнення живих організмів останнім часом здобуває все більше прихильників. Суть її полягає в припущенні, що основоположниками живих клітин були молекули РНК, а не білки. Важливим для розвитку цієї теорії є відкриття явища самореплікації (самовідтворення) молекул РНК. Вважається, що шляхом самореплікації молекули РНК еволюціонували до більш складних клітинних утворень.

Основною проблемою гіпотези є складність спонтанного синтезування поодиноких молекул РНК, а також їх послідовностей.