Гіпотези виникнення життя на землі

План

1. Різноманітності життєвих форм.

2. Основні етапи походження життя на землі за О.І.Опаріним.

3. Різноманітні гіпотези про походження життя на землі.

ГІПОТЕЗИ ВИНИКНЕННЯ ЖИТТЯ НА ЗЕМЛІ

Поєднання нещодавно отриманих мікропалеонтологічних, біогеохімічних та ізотопних даних свідчать про те, що життя на Землі існувало стільки часу, скільки існувала і сама плане­та — близько 4,5 млрд років. Земля належить до внутрішніх планет Сонячної системи, і перші органічні речовини заро­джувалися ще в космічних умовах. Усі органічні сполуки, які знайдені в метеоритах, відповідають універсальним ланкам об­міну речовин відомих живих організмів — амінокислот, білковоподібних полімерів, полінуклеотидів і інших.

Згідно з теорією академіка О. І. Опаріна (1894—1980). про-Ц^£
с виникнення життя на Землі пройшов кілька етапів (Рис. 16).

Виникнення життя на Землі (за акад. О. І. Опаріним)

1-й етап. Формування вуглеводних сполук та їхніх похід­них: атоми Карбону з'єднувалися між собою та утворювали ланцюги різної довжини. Це початкові ланки в еволюційній низці більш складних органічних сполук, до якої входять жи­ри, прості вуглеводи та амінокислоти. Найпростіший пред­ставник вуглеводнів — метан. Первинна літосфера, гідросфера та атмосфера були буквально насичені вуглеводнями. Умови, які існували на Землі в той час: сильні теплові та радіоактивні процеси, ультрафіолетові випромінювання та інші,— сприяли їх ускладненню.

2-й етап. Первинну атмосферу, яка складалась, головним чином, з аміаку, метану., водню, вуглекислого газу та водяної пари (у ній не було кисню), пронизували велетенські блис­кавки. Під дією цих сильних електричних розрядів із суміші газів стали утворюватись амінокислоти. Дослідами багатьох учених доведено: якщо через суміш аміаку, вуглекислого газу, водяної пари за температури 80 °С та тиску в декілька атмо­сфер пропускати сильні електричні розряди, утворюються глі­цин та інші амінокислоти. Разом із зливними потоками аміно­кислоти потрапляли на Землю до первородного океану, яким була покрита майже вся молода планета.

3-й етап. Виникнення преклітинних структур із поліпеп­тидів і полінуклеотидів. Важливу роль у цьому процесі віді­гравали коагуляти (згустки в колоїдних розчинах). Вони здатні поглинати з навколишнього середовища та накопичувати хі­мічні сполуки. Усередині них може здійснюватися синтез но-

вих сполук. Під час двигтіння Землі вони роздроблюються. Все це могло слугувати «прообразом» процесів обміну речовин, росту, розмножування. Різноманітні сполучення білків та ну­клеїнових кислот є причиною різноманітності життєвих форм на Землі.

З цього моменту на Землі зародилося життя, а геологічна та геохімічна історія Землі стає невіддільною від біологічних процесів. Ця теза становить сутність учення про біосферу.

Більшу частину геологічного часу, з моменту появи перших водоймищ на планеті, розвиток життя проходив у воді, і тільки близько 600 млн років тому перші організми виходять на земну поверхню. Перші форми життя були представлені простими прокаріотами з одноклітинною структурою та гетеротрофним способом живлення. Першими автотрофними організмами (фотосинтезуючими) були ціанобактерії та синьо-зелені водо­рості.

Поява еукорітинних одноклітинних організмів 2—1,5 млрд років тому мала велике значення в еволюції органічного світу на Землі.

У ранньому палеозої — силурійському періоді — живі ор­ганізми виходять на поверхню континентів. Американський геолог Д. Шухерт цей період еволюції планети назвав фане­розоєм («фанерос» — наочний, «зое» — життя). Він охоплює геологічний проміжок часу в 570 млн років.

На межі палеозою та мезозою (близько 200—185 млн років тому) помітно змінюється газовий склад атмосфери за рахунок бурхливого розвитку деревних спорових рослин — плауно-подібних, клинолистих та інших, що привело до інтенсивного процесу фотосинтезу, зменшення ролі вуглекислого газу та проникнення до земної поверхні значно більшої кількості ультрафіолетових променів.

На межі тріасового і юрського періодів (близько 150 млн років тому) відбувається зміна вищих спорових голонасінних рослин покритонасінними (квітковими), що сприяло бурхли­вому розвитку комах, обпилювачів і переносників насіння.

У крейдяному періоді (близько 70 млн років тому) від­бувається диференціація кліматів на Землі і настає холодний період, унаслідок чого птахи і ссавці замінюють гігантських рептилій.

Вік сучасних систематичних груп організмів різноманіт­ний. Членистоногі існують на Землі з верхнього протерозою, риби — з силуру, комахи — з девонського періоду, голонасінні рослини — з пермського віку, покритонасінні — з крейдяного періоду.

Нині домінують покритонасінні рослини, ссавці і птахи з наземних хребетних, черевоногі молюски — з наземних і вод­них безхребетних. Сучасна різноманітність живих організмів пов'язана як із тривалістю їх зародження, так і з мозаїчністю екологічних умов існування.

Поки немає доказів тому, що життя розвивалося по іншому шляху. Але є багато прогалин у знаннях тонкощів цього про­цесу. Одним із складних моментів є перехід від неживих біо-молекул до найпростіших живих організмів. З точки зору хімі­ка, навіть одноклітинна водорість побудована настільки склад­но, що важко уявити, як вона могла утворитися.

У 1953 р. американський хімік С. Міллер провів експери­мент, котрий, як уважалось тоді, вирішував питання про те, яким чином виникло життя на Землі. У герметичному скля­ному приладі вчений відтворив умови, які були характерні для первісної планети. Через газову суміш, яка вміщувала метан, аміак і водень, Міллер пропускав електричні розряди, а воду на дні приладу нагрівав, імітуючи стародавній океан. Через кілька днів дослідник виявив у колбі наявність амінокислот. Експе­рименти Міллера довели можливість абіогенного (небіологіч-ного) синтезу важливих .для життя молекул. Цей факт став також підтвердженням гіпотези російського вченого О. І. Опа-ріна про «білковий початок» розвитку життя на планеті.

Але дослідження деяких учених поставили під сумнів ви­хідну ідею, від якої відштовхувався у своїх експериментах С. Міллер: який був склад первісної атмосфери Землі? У ре­зультаті складних дослідів та комп'ютерного моделювання стародавньої земної атмосфери (Дж. Уокер (США) та ін.) було показано, що ультрафіолетове сонячне випромінювання, яке тоді ще не стримувалось озоновим екраном, повинно було руй­нувати гідрогеновмісні молекули газів. Нині передбачається, що основними компонентами первинної атмосфери були вуглекислий газ і азот. При цьому частка вуглекислого газу в атмосфері була настільки велика, що працював «парниковий ефект», під впливом якого вода в океанах майже кипіла.

У подібних умовах синтез амінокислот був надто проблема­тичним.

Передбачається, що перші живі організми Землі могли бути гетеротрофами, тому що їм доступні були готові органічні мо­лекули, які утворюються шляхом хімічного синтезу в первин­ному середовищі їхнього існування. З появою хемо- і фото­синтезу в атмосфері Землі з'явився і став накопичуватися кисень, після чого почав формуватись «озоновий екран».

Яка молекула була першою — білок чи нуклеїнова кисло­та?

Суперечка біохіміків, еволюціоністів та інших учених нав­коло цієї проблеми нагадує знайому дискусію: «Що було ра­ніше — курка чи яйце?» Як відомо, білок не може бути син­тезований у живій клітині з амінокислот без контролю з боку нуклеїнових кислот, які несуть інформацію про структуру всіх білків даного виду. Разом з тим, нуклеїнові кислоти можуть реплікуватися («розмножуватися») лише за наявності біл-ків-ферментів (полімераз, лігаз).

Згідно з теорією О. І. Опаріна та працями американських учених С. Фокса і С. Поннамперумі першими біомолекулами були білки (коагуляти-протиноїди). Однак критики відхиля­ють цю ідею, наводячи головний аргумент: білки та проте-ноїди не можуть самостійно ні самовідтворюватися, ні ево­люціонувати.

У 1989 р. американські біохіміки Т. Чек і С. Альтман знай­шли певний клас РНК, здатних до самокаталізу своєї реплікації (аутосплайсинг). Таким чином, певні види РНК можуть вико­нувати подвійну функцію — генну (точніше, його копії) та каталізатора подвоєння цього гена, тобто виступати як «яйце» і як «курка» одночасно. Згідно з цими фактами виникли гіпо­тези, наприклад У. Гілберта (США), що перші земні організми складались із простих молекул РНК, які самовідтворювались. Поступово такі організми набули здатності синтезувати білки (поява яких забезпечила швидкий та ефективний рух реплі­кації) і ліпіди (жири), що формують разом із білками мемб­рану, допомогли виникнути клітинним структурам.

Деякі вчені (А. Ребек, Л. Оргел та ін.) дотримуються думки, Що первинно існували гібридні молекули, які виявляли влас­тивості і білків, і нуклеїнових кислот. Такі молекули були одержані в біохімічних лабораторіях.

Оригінальну точку зору висловив німецький дослідник Г. Вехтершойзер. На його думку, спочатку життя з'явилось як певна послідовність перетворювань органічних сполук, які адсорбовані на кристалах піриту FeS2- Принципово новим у цій гіпотезі є те, що утворення та перетворення біомолекул здійснюється на межі твердої та рідкої фаз (гетерофазне се­редовище), а не в рідкофазному «первинному бульйоні».

Отже, початковою ланкою в еволюції був синтез перших елементів у пробіонти (попередники живої матерії), з яких потім був побудований увесь навколишній світ. Використо­вуючи гравітаційну та ядерну енергію, великі маси найпро­стішого хімічного елемента Гідрогену перетворювалися на ядра більш складних елементів. Ядерний нуклеосинтез здійс­нювався в космічних умовах за участю протонів, альфа-час­тинок (ядер атомів Гелію — 2 Не) і електронів. Прикладами таких реакцій є реакції утворення стабільних ядер Карбону С та Оксигену О:

У результаті таких процесів здійснювалося накопичення перших хімічних елементів на планеті (Н, С, О, N, Na, Mg, P, S, СІ, К, Са, Fe). Хімічна структура первинних найпростіших біологічних систем представлена першими ЗО елементами су­часної періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва.

Атоми хімічних елементів, які утворилися в умовах кос­мосу, взаємодіяли між собою, утворюючи малі молекули. У результаті складалась основа для формування складних орга­нічних речовин. Цікаво зазначити, що і зараз, через мільйони років набір стабільних малих молекул, які формують основу біосфери, залишився колишнім. Крім того, набір мономерів (амінокислот, моносахаридів, нуклеотидів) був завжди одна­ковим. З 20 амінокислот були побудовані білки і поліпептиди:

Механізм утворення біополімерів із мономерів універсаль­ний та єдиний для всіх клітин живих організмів. Усі біопо-лімери формуються шляхом послідовних операцій. На кожно­му етапі приєднання нової ланки до ланцюга здійснюється виділення молекули води (реакція поліконденсації). На утво­рення кожного нового зв'язку потрібна порція енергії, яка по­стачається до організму за допомогою хімічного елемента Фосфору.

Завершуючи розгляд питання про виникнення життя на Землі, необхідно підкреслити, що життя розвивалося та роз­вивається за єдними законами. Глибоке розуміння цих законів можливо лише під час розгляду їх фундаментальних основ — атомно-молекулярних процесів. Основні колообіги важливих хімічних елементів є головною умовою стабільності біосфери взагалі. Вони були сформовані ще в кембрії, близько 600 млн років тому. Надзвичайне явище стаціонарного стану живих систем — від бактерії до біосфери забезпечується динаміч­ними процесами: диханням, виділенням, обміном речовин та ш. Таким чином, стабільність та динамічність водночас висту­пають головними специфічними рисами життя.

Еволюція життя та середовища, яке оточує це життя, від­повідають девізу «Mobilesinmobile» («Рухливий у рухливо­му»). Екологічні проблеми, які виникали в результаті катакліз-мів у житті планети, розв'язувалися природним шляхом і впли­вали на процес еволюції. Один з екологічних законів амери­канського вченого Б. Коммонера говорить: «Природа знає кра­ще». Тому сьогодні перед людством постає завдання вивчати закони природи, осягати розумом її мудрість та навчитися не суперечити їм.