§ 13. Современные представления о возникновении жизни

Определения и обозначения

Химическая эволюция — образование и усложнение органических веществ из неорганических до появления первых живых систем. Иначе говоря, речь идёт о постепенных изменениях вещества, которые могли подготовить появление жизни. Это понятие помогает описать переход от простых соединений к более сложным системам.

Коацерват — капля из молекул органических веществ, отделённая от окружающей среды и способная избирательно поглощать вещества. Такая капля может поддерживать внутри себя отличающиеся от внешней среды условия. Коацерваты важны как модель обособленных структур, которые могли предшествовать клеткам, но сами живыми организмами не являются.

Протобионт — предшественник клетки, обладавший некоторыми свойствами живого, но ещё не являвшийся полноценным организмом. Он мог быть обособлен от среды и включать взаимодействующие молекулы. Понятие обозначает предполагаемый промежуточный этап между сложными неживыми структурами и клеткой.

Биопоэз — возникновение живых систем из неживой материи в ходе длительных этапов эволюции. Термин подчёркивает, что происхождение жизни объясняют не разовым появлением готового организма, а последовательностью преобразований. Он объединяет предполагаемые этапы от простых веществ до первых клеток.

Как это устроено

Жизнь включает согласованную работу многих процессов: обмен веществ, сохранение и передачу наследственной информации, поддержание внутренней организации. Поэтому происхождение жизни рассматривают как переход между состояниями материи, а не как одномоментное событие. Для появления клетки должны были сложиться условия, позволяющие веществам не только взаимодействовать, но и образовывать устойчивую систему. Именно поэтому гипотезы описывают цепочку этапов, а не внезапное появление полноценного организма.

Идея химической эволюции отличается от представления о самозарождении готовых организмов: она не предполагает, что сложное живое существо возникает сразу из неживого вещества. Она отличается и от панспермии, которая допускает перенос жизни или её зачатков из космоса на Землю. Перенос может объяснить, откуда жизнь могла попасть на планету, но не отвечает, как она появилась впервые. Химическая эволюция, напротив, рассматривает возможность её возникновения из неживых веществ на ранней Земле.

Ранняя Земля отличалась от современной атмосферой, температурой и источниками энергии. Разряды молний, ультрафиолетовое излучение и вулканическая активность могли обеспечивать энергию для химических реакций. Если в такой среде присутствовали простые неорганические соединения, некоторые из них могли вступать в реакции и давать органические молекулы без участия организмов. Такой синтез называют абиогенным: вещества возникают не в результате деятельности живых существ.

Образовавшиеся органические вещества могли накапливаться, взаимодействовать и давать более крупные молекулы. При этом концентрация соединений в отдельных местах и повторяющиеся реакции могли повышать вероятность появления устойчивых сочетаний. Некоторые молекулы могли объединяться в капли или другие обособленные структуры, отделённые от окружающей среды. Эти структуры могли поддерживать обмен веществами, но для жизни им ещё требовалась способность сохранять и воспроизводить свою организацию.

Появление обособленных структур связывают с формированием протобионтов — предшественников клеток. Если внутри такой структуры возникали молекулы, способные копировать себя, появлялась возможность передавать особенности следующим поколениям. Отбор более устойчивых и успешно воспроизводящихся систем мог постепенно усложнять организацию. Однако конкретная последовательность событий и механизм появления первых систем самовоспроизведения остаются предметом научных исследований.

Основные этапы предполагаемого возникновения жизни

Таблица показывает предполагаемую последовательность: каждый следующий этап опирается на результаты предыдущего. Используйте её, чтобы различать образование органических веществ и появление полноценной живой системы. Это модель научной гипотезы, а не установленная во всех деталях хроника событий.

Разбор задач

1. Органические вещества в эксперименте

Условие. Объясните, почему обнаружение органических веществ в эксперименте с моделируемой атмосферой ранней Земли не означает, что в опыте возникла жизнь. Важно отделить полученный результат от более широкого вывода о происхождении живых систем. Для этого сравним свойства органических соединений и свойства организма.

1. Установим, что именно показал опыт: в смоделированных условиях некоторые неорганические вещества могли дать органические соединения.
2. Проверим, возникли ли в установке клеточная организация, обмен веществ, наследственная информация и самовоспроизведение. Получение отдельных молекул само по себе этих свойств не обеспечивает.
3. Сформулируем вывод с учётом границ эксперимента: он проверил возможность одного из этапов химической эволюции, а не весь процесс биопоэза.

Ответ. Органические вещества — необходимое сырьё для возможного возникновения жизни, но не сама жизнь. Эксперимент Миллера—Юри показал возможность их абиогенного образования, а не появление клетки.

2. Последовательность событий

Условие. Расположите события в предполагаемой последовательности: образование коацерватов, синтез простых органических веществ, появление первых клеток, образование сложных молекул. Обоснуйте порядок, опираясь на то, какие результаты каждого этапа могли понадобиться для следующего. Не следует трактовать эту схему как доказанную до мелочей историю.

1. Сначала поставим синтез простых органических веществ: без исходных молекул не из чего было бы строить более сложные соединения.
2. Следом укажем образование сложных молекул, которые могли вступать во взаимодействия и объединяться в структуры.
3. После этого расположим образование коацерватов как обособленных капель из органических веществ, а завершит ряд появление первых клеток с более полной организацией.

Ответ. Синтез простых органических веществ → образование сложных молекул → образование коацерватов → появление первых клеток. Такая последовательность показывает предполагаемую логику усложнения, но отдельные этапы могли происходить иначе или частично параллельно.

3. Химическая эволюция и панспермия

Условие. Сравните гипотезу химической эволюции и гипотезу панспермии по тому, где и каким образом, согласно каждой из них, могла возникнуть жизнь. Нужно не только назвать различие, но и определить, какой вопрос остаётся за пределами каждой гипотезы. Сравнение поможет отличить возникновение жизни от её возможного переноса.

1. В гипотезе химической эволюции исходное появление живых систем связывают с преобразованиями веществ на ранней Земле. Она описывает возможную последовательность от простых соединений к протобионтам и клеткам.
2. Панспермия предполагает, что жизнь или её зачатки могли попасть на Землю из космоса. В таком объяснении Земля становится местом распространения жизни, но не обязательно местом её первоначального появления.
3. Сопоставим границы: химическая эволюция ищет механизм возникновения на Земле, а панспермия предполагает перенос. Вопрос о том, как жизнь возникла впервые, панспермия не решает.

Ответ. Химическая эволюция объясняет возможное постепенное возникновение жизни из неживых веществ на Земле. Панспермия объясняет возможное попадание жизни на Землю, но не её первоначальное происхождение.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что эксперимент Миллера—Юри создал жизнь. Её допускают, потому что в опыте действительно получили органические вещества, необходимые живым системам. Проверьте себя вопросом: возникли ли там клетка и самовоспроизведение? Если нет, речь шла о проверке абиотического синтеза, а не о создании жизни.

Нельзя смешивать химическую эволюцию с самозарождением готового организма. Такое смешение возникает, когда из формулировки «жизнь появилась из неживой материи» убирают промежуточные этапы. Чтобы проверить себя, восстановите цепочку от простых соединений к сложным молекулам и протобионтам. Мгновенное появление готового организма этой гипотезой не предполагается.

Коацерват не следует называть живым организмом. Его обособленность и способность поглощать вещества похожи на отдельные свойства клетки, поэтому сходство легко принять за тождество. Проверьте, есть ли у него наследственная информация и полноценное самовоспроизведение. Если этих свойств нет, перед вами модель предшественника клетки, а не клетка.

Панспермия не является полным объяснением происхождения жизни. Её принимают за окончательный ответ, если не различают место появления жизни и место, куда она могла быть перенесена. Для самопроверки спросите: объясняет ли гипотеза, как жизнь возникла впервые? Панспермия допускает перенос, но оставляет вопрос о первоначальном возникновении открытым.

Связь с другими темами

Для понимания происхождения жизни нужны знания о признаках живого, строении клетки и роли органических веществ в организме. Они помогают увидеть, почему наличие отдельных молекул ещё не означает появления организма. Сравнение свойств клетки и коацервата показывает, какие уровни организации должны были сформироваться. Эти понятия связывают тему с изучением клеточной организации.

Предполагаемое возникновение первых клеток связано с темами происхождения клеток и молекулярной биологии. Изучение наследственной информации и её копирования помогает понять, почему самовоспроизведение считают важным рубежом. Вопрос о возможной жизни вне Земли продолжает эту тему: он требует искать условия и признаки жизни, не предполагая заранее, что она существует. Так гипотезы о прошлом связаны с современными исследованиями.

Что запомнить

• Возникновение жизни рассматривают как длительный процесс перехода от неживой материи к живым системам.
• Гипотеза химической эволюции предполагает последовательное усложнение веществ и структур.
• Органические вещества могут образовываться абиогенно при определённых условиях.
• Коацерват — модель обособленной предшественницы клетки, а не полноценная клетка.
• Экспериментальное моделирование проверяет отдельные этапы предполагаемого процесса.
• Панспермия объясняет возможный перенос жизни, но не её первоначальное появление.