Pochodzenie życia na Ziemi: hipotezy, teorie, podstawowe pojęcia

Wiadomo, że czasopisma naukowe starają się nie przyjmować do publikacji artykułów poświęconych problemom, które przyciągają uwagę wszystkich, ale nie mają jednoznacznego rozwiązania - poważne wydanie na temat fizyki nie opublikuje projektu perpetuum mobile. Temat ten był początkiem życia na Ziemi. Kwestia pojawienia się natury, pojawienia się człowieka, niepokoiła myślenie ludzi przez tysiące lat, a jedynie kreacjoniści - zwolennicy boskiego pochodzenia wszystkich rzeczy - znaleźli dla siebie konkretną odpowiedź, ale ta teoria nie jest naukowa i nie podlega weryfikacji.

Widoki starożytnych

Starożytne chińskie i starożytne indyjskie manuskrypty mówią o pojawieniu się żywych stworzeń z wody i rozkładających się pozostałości, egipskie hieroglify i pisma klinowe starożytnego Babilonu mówią nam o narodzinach ziemnowodnych stworzeń w mrożonych osadach wielkich rzek. Hipotezy o pochodzeniu życia na Ziemi poprzez spontaniczne generowanie były oczywiste dla mędrców z odległej przeszłości.

Pradawni filozofowie podawali również przykłady pojawiania się zwierząt z materii nieożywionej, ale ich teoretyczne podstawy miały inną naturę: materialistyczną i idealistyczną. Demokryt (460-370 pne, E.) Odkrył przyczynę pojawienia się życia w specjalnym oddziaływaniu najmniejszych, wiecznych i niepodzielnych cząstek - atomów. Platon (428-347 pne) i Arystoteles (384-322 pne E.) Pochodzenie życia na Ziemi przypisywano cudownym wpływom na martwą materię wyższej zasady, która wlewa duszę w obiekty natury.

Idea istnienia jakiejś "siły życiowej", przyczyniającej się do pojawienia się żywych istot, okazała się bardzo stabilna. Powstały poglądy na temat pochodzenia życia na Ziemi dla wielu naukowców, którzy żyli w średniowieczu, a później, aż do końca XIX wieku.

Teoria spontanicznego generowania

Anthony van Leeuwenhoek (1632-1723) z wynalezieniem mikroskopu sprawił, że odkryte przez niego najmniejsze mikroorganizmy stały się głównym przedmiotem kontrowersji pomiędzy naukowcami, którzy podzielili dwie główne teorie pochodzenia życia na Ziemi - biogenezę i abiogenezę. Ci pierwsi wierzyli, że całe życie może być tylko stworzeniem żywej istoty, ci zaś wierzyli, że możliwe spontaniczne wytwarzanie materii organicznej w rozwiązaniach umieszczonych w specjalnych warunkach. Istota tego sporu do tej pory się nie zmieniła.

Eksperymenty niektórych przyrodników dowiodły możliwości spontanicznego pojawienia się najprostszych mikroorganizmów, a zwolennicy biogenezy całkowicie zaprzeczyli tej możliwości. Louis Pasteur (1822-1895), stosując ściśle naukowe metody i wysoką poprawność swoich eksperymentów, udowodnił brak mitycznej siły życiowej przenoszonej przez powietrze i powodującej żywe bakterie. Jednak w swoich pracach dopuszczał możliwość spontanicznego generowania w pewnych szczególnych warunkach, które musieli odkryć naukowcy przyszłych pokoleń.

Teoria ewolucji

Pisma wielkiego Karola Darwina (1809-1882) wstrząsnęły fundamentami wielu nauk przyrodniczych. Głoszone pojawienie się ogromnej różnorodności gatunków biologicznych od jednego wspólnego przodka ponownie uczyniło początek życia na Ziemi najważniejszym zagadnieniem nauki. Teoria dobór naturalny i na początku trudno było znaleźć swoich zwolenników, a teraz przechodzi krytyczne ataki, które wyglądają dość rozsądnie, ale to darwinizm leży u podstaw współczesnych nauk przyrodniczych.

Po Darwinie, pochodzenie życia na Ziemi nie mogło być brane pod uwagę z ich poprzednich pozycji. Naukowcy z wielu dziedzin nauk biologicznych byli przekonani o prawdzie ewolucyjnej ścieżki rozwoju organizmów. Współczesne poglądy na wspólnego przodka, postawione przez Darwina w fundamencie Drzewa Życia, zmieniły się na wiele sposobów, ale prawda ogólnej koncepcji jest niewzruszona.

Teoria stanu stacjonarnego

Laboratoryjne obalenie spontanicznego spontanicznego wytwarzania bakterii i innych mikroorganizmów, świadomość złożonej struktury biochemicznej komórki, wraz z ideami darwinizmu, wywarły szczególny wpływ na pojawienie się alternatywnych wersji teorii pochodzenia życia na Ziemi. W 1880 roku jedną z nowych propozycji zaproponował William Preyer (1841-1897). Uważał, że nie ma potrzeby rozmawiać o narodzinach życia na naszej planecie, ponieważ istnieje on na zawsze i nie miał początku jako takiego, jest niezmienny i stale gotowy do odrodzenia w dowolnych odpowiednich warunkach.

Pomysły Preyera i jego naśladowców mają wyłącznie czysto historyczne i filozoficzne znaczenie, ponieważ późniejsi astronomowie i fizycy obliczyli czas ostatecznego istnienia systemów planetarnych, ustalili stałą, ale stałą ekspansję Wszechświata, to znaczy, że nigdy nie była ona ani wieczna, ani stała.

Pragnienie postrzegania świata jako jednej globalnej żywej istoty powtórzyło poglądy wielkiego naukowca i filozofa z Rosji - Władimira Iwanowicza Wernadskiego (1863-1945), który również miał własną koncepcję pochodzenia życia na Ziemi. Opierało się na zrozumieniu życia jako integralnej cechy Wszechświata, kosmosu. Według Vernadsky'ego fakt, że nauka nie mogła znaleźć warstw, które nie zawierały śladów materii organicznej, mówił o geologicznej wieczności życia. Jednym ze sposobów, w jaki życie pojawiło się na młodej planecie, Vernadsky nazwał swoje kontakty z kosmicznymi obiektami - kometami, asteroidami i meteorytami. Tutaj jego teoria połączyła się z inną wersją, która wyjaśniła pochodzenie życia na Ziemi metodą panspermii.

Kolebka życia - przestrzeń

Panspermia (grecki - "mieszanina nasion", "nasiona wszędzie") uważa życie za podstawową własność materii i nie wyjaśnia sposobów jego pochodzenia, ale nazywa przestrzeń źródłem życiowych zarazków, które spadają na ciała niebieskie w warunkach odpowiednich do ich kiełkowania.

Pierwsza wzmianka o podstawowych pojęciach panspermii znajduje się w pismach starożytnego greckiego filozofa Anaksagorasa (500-428 pne). e.), a w XVIII wieku mówił o swoim francuskim dyplomatą i geologie Benoit de Maya (1656-1738 gg.). Pomysły te zostały reanimowane przez Svante August Arrhenius (1859-1927), Lorda Kelvina Williama Thomsona (1824-1907) i Hermanna von Helmholtza (1821-1894).

Badania nad okrutnym wpływem na żywe organizmy promieniowania kosmicznego i warunki temperaturowe przestrzeni międzyplanetarnej sprawiły, że takie hipotezy dotyczące pochodzenia życia na Ziemi nie były zbyt istotne, ale wraz z początkiem ery kosmicznej wzrosło zainteresowanie panspermią.

W 1973 roku laureat Nagrody Nobla, Francis Crick (1916-2004), zaproponował pozaziemską produkcję molekularnych systemów życia i uderzenie ich na Ziemi meteorytami i kometami. Jednocześnie szanse abiogenezy na naszej planecie zostały ocenione jako bardzo niskie. Pochodzenie i rozwój życia na Ziemi poprzez samoorganizację materia organiczna wybitny naukowiec wysokiego szczebla nie uważał rzeczywistości.

Skamieniałe struktury biologiczne znaleziono w meteorytach na całej planecie, podobne ślady znaleziono w próbkach gleby pobranych z Księżyca i Marsa. Z drugiej strony prowadzone są liczne eksperymenty w zakresie obróbki biostruktur z wpływami, które są możliwe, gdy znajdują się w przestrzeni kosmicznej i przechodzą przez atmosferę podobną do ziemskiej.

Ważny eksperyment został przeprowadzony w 2006 roku w ramach misji Deep Impact. Kometa Tempel została wciśnięta przez specjalny impaktor sondujący, wydany przez automatyczny aparat. Analiza substancji kometarnej, która została uwolniona w wyniku uderzenia, wykazała obecność wody i różnorodność związki organiczne.

Wniosek: odkąd pojawienie się teorii panspermii zmieniło się znacząco. Współczesna nauka inaczej traktuje te podstawowe elementy życia, które mogły zostać dostarczone naszej młodym planetom przez obiekty kosmiczne. Badania i eksperymenty dowodzą żywotności żywych komórek w podróży międzyplanetarnej. Wszystko to sprawia, że ​​idea pozaziemskiego pochodzenia ziemskiego życia jest istotna. Podstawowe pojęcia pochodzenia życia na Ziemi to teorie, do których panspermia wchodzi albo jako główna część, albo jako sposób dostarczania komponentów na Ziemię w celu stworzenia żywej materii.

Teoria biochemicznej ewolucji Oparin-Haldane

Idea spontanicznego generowania żywych organizmów od substancje nieorganiczne zawsze pozostawała prawie jedyną alternatywą dla kreacjonizmu, aw 1924 r. opublikowano 70-stronicową monografię, nadającą tej idei moc rozwiniętej i ugruntowanej teorii. Dzieło to nosiło tytuł "Pochodzenie życia", jego autorem był rosyjski naukowiec - Aleksander Iwanowicz Oparin (1894-1980). W 1929 roku, gdy dzieła Oparin nie zostały jeszcze przetłumaczone na angielski, angielski biolog John Haldane (1860-1936) wyraził podobne koncepcje pochodzenia życia na Ziemi.

Oparin sugerował, że gdyby prymitywna atmosfera młodej planety Ziemi zmniejszała się (to znaczy nie zawierała tlenu), silny impuls energii (na przykład, błyskawica lub promieniowanie ultrafioletowe) mógłby przyczynić się do syntezy związków organicznych z materii nieorganicznej. Następnie takie cząsteczki mogą tworzyć skrzepy i nagromadzenia - krople koacerwatu, które są proto-organizmami, wokół których tworzą się koszulki wodne - podstawa membrany membrany, separacja zachodzi, generując różnicę ładunku, a więc ruch - początek metabolizmu, początki metabolizmu itp. Koatservaty uznano za podstawę do rozpoczęcia procesów ewolucyjnych, które doprowadziły do ​​stworzenia pierwszych form życia.

Haldane przedstawił koncepcję "pierwotnego bulionu" - początkowego oceanu ziemi, który stał się ogromnym laboratorium chemicznym, połączonym z potężnym źródłem pokarmu - światłem słonecznym. Połączenie dwutlenku węgla, amoniaku i promieniowania ultrafioletowego doprowadziło do pojawienia się skoncentrowanej populacji organicznych monomerów i polimerów. Następnie takie formacje połączono z pojawieniem się błony lipidowej wokół nich, a ich rozwój doprowadził do powstania żywej komórki.

Główne etapy powstania życia na Ziemi (Oparin-Haldane)

Zgodnie z teorią wyłaniania się wszechświata z wiązki energii, Wielki Wybuch nastąpił około 14 miliardów lat temu, a około 4,6 miliarda lat temu ukończono tworzenie planet Układu Słonecznego.

Młoda Ziemia, stopniowo ochłodzona, uzyskała stałą powłokę, wokół której zachodziła formacja atmosfery. Pierwotna atmosfera zawierała parę wodną i gazy, które później służyły jako surowce do syntezy organicznej: tlenek węgla i dwutlenek węgla, siarkowodór, metan, amoniak, związki cyjankowe.

Bombardowanie obiektów kosmicznych zawierających wodę w stanie zamrożenia oraz kondensacja pary wodnej w atmosferze doprowadziły do ​​powstania Oceanu Światowego, w którym rozpuszczono różne związki chemiczne. Silne burze towarzyszyły tworzeniu atmosfery, przez którą przeniknęło silne promieniowanie ultrafioletowe. W takich warunkach miała miejsce synteza aminokwasów, cukrów i innych najprostszych związków organicznych.

Pod koniec pierwszego miliarda lat istnienia Ziemi proces polimeryzacji najprostszych monomerów w białka (polipeptydy) i kwasy nukleinowe (polinukleotydy). Zaczęli tworzyć związki prebiologiczne - koacerwaty (z początkiem jądra, metabolizmu i błony).

3,5-3 miliarda lat pne - etap powstawania protobiont z samokontrolą, kontrolowanym metabolizmem, membraną o zmiennej przepuszczalności.

3 miliardy lat pne e. - pojawienie się organizmów komórkowych, kwasów nukleinowych, pierwotnych bakterii, początek ewolucji biologicznej.

Eksperymentalne dowody na hipotezę Oparin-Haldane

Wielu naukowców pozytywnie oceniło podstawowe koncepcje pochodzenia życia na Ziemi w oparciu o abiogenezę, chociaż od samego początku znajdowali wąskie gardła i zastrzeżenia w teorii Oparin-Haldane. W różnych krajach rozpoczęto prace nad testowymi badaniami hipotezy, z których najbardziej znany jest klasyczny eksperyment przeprowadzony w 1953 roku przez amerykańskich naukowców Stanleya Millera (1930-2007) i Harolda Ureya (1893-1981).

Istotą eksperymentu było zasymulowanie warunków wczesnej Ziemi w laboratorium, w którym można by syntetyzować najprostsze związki organiczne. W urządzeniu krążyła mieszanina gazów o składzie zbliżonym do atmosfery pierwotnej Ziemi. Konstrukcja urządzenia zapewniała imitację aktywności wulkanicznej, a wyładowania elektryczne przekazywane przez mieszaninę tworzyły efekt pioruna.

Po cotygodniowej cyrkulacji mieszaniny przez układ, dziesiąta część węgla została przeniesiona do związków organicznych, znaleziono aminokwasy, cukry, lipidy i związki poprzedzające aminokwasy. Powtarzane i modyfikowane eksperymenty w pełni potwierdziły możliwość abiogenezy w symulowanych warunkach wczesnej Ziemi. W kolejnych latach inne laboratoria przeprowadzały powtarzające się eksperymenty. Siarkowodór został dodany do składu mieszanki gazowej jako ewentualny składnik emisji wulkanów, wprowadzono inne niekrytyczne zmiany. W większości przypadków doświadczenie syntezy związków organicznych było udane, chociaż próby pójścia dalej i uzyskania bardziej złożonych elementów zbliżających się do składu żywej komórki nie zakończyły się sukcesem.

Świat RNA

Pod koniec XX wieku wielu naukowców, którzy nie przestali interesować się problemem pochodzenia życia na Ziemi, stało się jasne, że przy całej symetrii konstrukcji teoretycznych i wyraźnym potwierdzeniu eksperymentalnym, teoria Oparina-Haldane'a ma oczywiste, być może nieodparcie, wady. Główną z nich była niemożność wyjaśnienia wyglądu właściwości protobiontów, które decydują o istnieniu żywego organizmu - pomnażanie przy zachowaniu cech dziedzicznych. Wraz z odkryciem genetycznych struktur komórkowych, wraz z definicją funkcji i struktury DNA, wraz z rozwojem mikrobiologii pojawił się nowy kandydat do roli cząsteczki pierwszego życia.

Stało się cząsteczką kwasu rybonukleinowego - RNA. Ta makrocząsteczka, która jest częścią wszystkich żywych komórek, jest łańcuchem nukleotydów - najprostszych jednostek organicznych składających się z atomów azotu, monosacharydu - rybozy i grupy fosforanowej. Sekwencja nukleotydów jest kodem dziedzicznej informacji, aw wirusach na przykład RNA odgrywa rolę, jaką DNA odgrywa w złożonych strukturach komórkowych.

Ponadto naukowcy odkryli wyjątkową zdolność niektórych cząsteczek RNA do wstawiania pęknięć w inne łańcuchy lub sklejenie poszczególnych elementów RNA, a niektóre odgrywają rolę autokatalizatorów - to znaczy przyczyniają się do szybkiej reprodukcji. Stosunkowo niewielki rozmiar makrocząsteczki RNA i jej uproszczona w porównaniu do DNA struktura (w jednej nici) sprawiły, że kwas rybonukleinowy był głównym kandydatem do roli głównego elementu systemów prebiologicznych.

Ostateczna teoria pojawienia się żywej materii na planecie została sformułowana w 1986 r. Przez Waltera Gilberta (ur. 1932 r.) - amerykańskiego fizyka, mikrobiologa i biochemika. Nie wszyscy eksperci zgodzili się z tym poglądem na temat pochodzenia życia na Ziemi. Teoria struktury prebiologicznego świata naszej planety, zwana skrótowo "Światem RNA", nie może odpowiedzieć na proste pytanie, w jaki sposób pojawiła się pierwsza cząsteczka RNA o pożądanych właściwościach, nawet jeśli istniała ogromna ilość "materiału budowlanego" w postaci nukleotydów itp.

Pau World

Odpowiedź próbowano znaleźć w maju 2004 r., Simon Nicholas Platts, aw 2006 r. Grupa naukowców pod kierownictwem Pascala Ehrenfreunda. Jako materiał wyjściowy do RNA o właściwościach katalitycznych zaproponowano węglowodory poliaromatyczne.

Świat WWA oparto na wysokiej częstości występowania tych związków w widzialnej przestrzeni (musiały być obecne w "pierwotnym bulionie" młodej Ziemi) i osobliwościach ich pierścieniowej struktury, przyczyniając się do ich szybkiego połączenia z azotowymi zasadami, kluczowymi składnikami RNA. Teoria PAH po raz kolejny mówi o aktualności niektórych przepisów panspermii.

Unikalne życie na wyjątkowej planecie

Dopóki naukowcy nie będą mieli możliwości powrotu 3 miliardy lat temu, tajemnica pochodzenia życia na naszej planecie nie zostanie ujawniona - wielu z tych, którzy zajmowali się tym problemem, doszli do takiego wniosku. Podstawowe pojęcia pochodzenia życia na Ziemi to: teoria abiogenezy i teoria panspermii. Mogą się przecinać na wiele sposobów, ale najprawdopodobniej nie będą w stanie odpowiedzieć: jak wśród ogromnego kosmosu pojawił się zaskakująco dobrze zrównoważony system z Ziemi i satelity, Księżyca, z którego powstało życie ...