§ 15. Гипотезы происхождения жизни на Земле

Определения и обозначения

Гипотеза биохимической эволюции — предположение о постепенном возникновении органических соединений, предшественников живых систем и первых организмов из неорганических веществ ранней Земли. Она нужна, чтобы связать химические процессы с появлением жизни, а не считать этот переход мгновенным событием.

Абиогенез — возникновение живого из неживой материи. В современной науке это не идея о том, что готовые организмы регулярно появляются сами собой, а поиск возможных этапов происхождения первой жизни. Такое различие помогает не смешивать научную гипотезу с историческими представлениями о самозарождении.

Биогенез — принцип, согласно которому живое возникает от живого. Опыты, проверявшие этот принцип, показали, что организмы в современных условиях появляются благодаря другим организмам, а не самопроизвольно в питательной среде. Это важно для объяснения происхождения наблюдаемой жизни, но не описывает её первый этап.

Панспермия — гипотеза о том, что жизнь или её зачатки могли быть занесены на Землю из космоса. Она предлагает возможный путь переноса, но не объясняет, где и как возникла жизнь первоначально. Поэтому панспермия переносит вопрос о её происхождении за пределы Земли, а не решает его.

Как это устроено

Опыты Реди и Пастера были устроены так, чтобы проверить, откуда берутся организмы в обычных условиях. Реди сравнивал мясо в открытых и закрытых сосудах: личинки появлялись там, куда могли попасть мухи, поэтому их источником оказались яйца насекомых. Пастер кипятил питательный бульон в колбах с изогнутыми горлышками: воздух проходил внутрь, но пыль с микроорганизмами задерживалась. Бульон оставался стерильным, пока загрязнение не попадало в него; это опровергло самозарождение в условиях опыта, но не ответило на вопрос о первой жизни на ранней Земле.

Гипотеза биохимической эволюции связывает условия древней планеты с образованием органических веществ. Состав ранней атмосферы отличался от современного, а в воздухе и воде могли присутствовать простые неорганические соединения. Энергия молний, ультрафиолетового излучения и вулканических процессов запускала химические реакции между ними. Вода могла служить средой, где вещества растворялись, перемещались и взаимодействовали, поэтому продукты таких реакций могли накапливаться.

Следующий возможный этап — усложнение простых органических соединений. При повторяющихся реакциях могли появляться более крупные молекулы, а затем обособленные структуры, отделённые от окружающей среды границей. Такая граница помогала удерживать вещества внутри, а химические реакции могли поддерживать обмен веществ. Если система ещё и могла воспроизводить свои компоненты с передачей особенностей, возникали предпосылки для появления первых организмов; точная последовательность этих событий остаётся предметом исследований.

Миллер и Юри проверяли, могут ли органические вещества возникать абиотически при условиях, которые считали возможными для ранней Земли. В установке они создали смесь газов и водяной пар, а электрические разряды имитировали молнии; затем анализировали образовавшиеся вещества. В смеси обнаружили некоторые органические соединения, в том числе аминокислоты. Это поддержало предположение о возможности химического синтеза органики, но в установке не возникли клетка, обмен веществ или размножение, поэтому опыт не доказал происхождение жизни целиком.

Три представления отвечают на разные вопросы. Биохимическая эволюция предлагает сценарий постепенного возникновения жизни на Земле из неживых веществ; открытыми остаются детали перехода к первым системам. Панспермия предполагает перенос жизни из космоса, но оставляет без ответа вопрос о её первоначальном появлении. Стационарное состояние означает, что жизнь существовала всегда, поэтому не объясняет её начало и нуждается в оценке по данным о развитии Земли и Вселенной.

Сравнение гипотез происхождения жизни

Сначала определите, какой именно вопрос задаёт гипотеза: о появлении первых организмов, переносе жизни или её существовании во все времена. Затем сравните, какие этапы она объясняет и какие оставляет без ответа. Так проще отличить проверяемый результат опыта от более широкого предположения.

Разбор задач

Задача 1. Сопоставьте опыты Реди и Пастера с представлениями о самозарождении и биогенезе. Укажите, какой вывод позволил сделать каждый опыт. Для решения важно учитывать, что именно исследователи контролировали и откуда могли попасть организмы.

1. В опыте Реди сравните доступ мух к мясу в разных сосудах. Личинки появлялись там, где мухи могли отложить яйца.
2. В опыте Пастера учтите, что колба пропускала воздух, но изогнутое горлышко задерживало пыль с микроорганизмами. Бульон оставался стерильным, пока загрязнение не попадало внутрь.
3. Свяжите результаты с идеями: самозарождение в проверенных условиях не подтвердилось, а появление организмов объяснялось попаданием живых организмов или их зародышей.

Ответ. Реди показал, что личинки на мясе развиваются из яиц мух, а не возникают из мяса. Пастер показал, что стерильный бульон не заселяется микроорганизмами, если они не попадают в него; оба опыта поддерживают биогенез в наблюдаемых условиях, но не раскрывают происхождение первой жизни.

Задача 2. По описанию опыта Миллера и Юри определите, какую часть гипотезы биохимической эволюции он проверял и какие выводы допустимы. В установке смесь газов и водяной пар подвергали электрическим разрядам, после чего обнаружили органические вещества. Нужно не приписать результату больше, чем он показывает.

1. Определите модель процесса: газы и разряды имитировали некоторые предполагаемые условия ранней Земли.
2. Назовите проверяемый этап: образование органических соединений из более простых веществ без участия организмов.
3. Разделите результат и общий вывод: полученные соединения подтверждают возможность абиотического синтеза, но не появление клетки, обмена веществ или размножения.

Ответ. Опыт проверял возможность образования некоторых органических веществ в моделируемых условиях. Он поддержал один этап гипотезы биохимической эволюции, однако не доказал, что в установке возникла жизнь или что вся последовательность её происхождения уже установлена.

Задача 3. Сравните три утверждения: жизнь возникла в результате химической эволюции на Земле; была занесена из космоса; существовала всегда. Определите соответствующие гипотезы и назовите вопрос, который остаётся нерешённым в каждом случае. Для этого выделите ключевое предположение каждого утверждения.

1. Химическое усложнение веществ на Земле соответствует гипотезе биохимической эволюции; открытыми остаются детали перехода от химических систем к первым организмам.
2. Космический перенос соответствует панспермии; она не отвечает, где и как жизнь возникла первоначально.
3. Представление о жизни, существовавшей всегда, соответствует стационарному состоянию; оно не объясняет начало жизни и не даёт механизма её появления.

Ответ. Утверждения соответствуют биохимической эволюции, панспермии и стационарному состоянию. Первое предлагает земной сценарий, второе переносит место возникновения в космос, третье отрицает начало; во всех случаях нужно учитывать, какие вопросы гипотеза оставляет открытыми.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать, что опыты Пастера объяснили появление первой жизни. Их вывод относится к стерильному бульону и современным условиям, поэтому его ошибочно переносят на события ранней Земли. Так происходит из-за смешения двух вопросов: как появляются нынешние микроорганизмы и как возникла первая живая система. Проверьте себя: назовите, что именно находилось в колбе и что в ней моделировалось.

• Ошибка — называть панспермию полным объяснением происхождения жизни. Она описывает возможный перенос жизни или её зачатков на Землю, но не их первоначальное возникновение. Путаница появляется, когда место доставки принимают за место и механизм появления. Для проверки спросите: объясняет ли гипотеза, как возник первый живой объект?

• Ошибка — утверждать, что Миллер и Юри создали жизнь. В опыте получили некоторые органические вещества, но не живые организмы с обменом веществ и способностью воспроизводиться. Такой вывод часто делают, смешивая органические соединения с жизнью. Сверьте утверждение с результатом: были ли обнаружены клетки или только продукты химических реакций?

• Ошибка — смешивать биогенез и абиогенез. Биогенез описывает возникновение живого от живого, а абиогенез — возможность появления жизни из неживой материи. Термины похожи, поэтому их легко перепутать, если запоминать только окончания. Проверьте значение по исходному вопросу: требуется объяснить появление нового организма или происхождение первой жизни?

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно различать живую и неживую природу, а также органические и неорганические вещества: это помогает проследить предполагаемый переход от химии к жизни. Связь с клеточной теорией, обменом веществ и размножением показывает, какие свойства должна была приобрести система, чтобы считаться живой. Позже эти знания пригодятся при изучении эволюции организмов и доказательств единства живой природы: общность живых систем позволяет сопоставлять их свойства и историю.

Что запомнить

• Гипотезы происхождения жизни предлагают разные объяснения и имеют разные границы применимости.
• Биогенез описывает возникновение живого от живого в наблюдаемых условиях.
• Биохимическая эволюция предполагает постепенное усложнение веществ и систем на ранней Земле.
• Опыт Миллера и Юри показал возможность абиотического образования некоторых органических соединений.
• Панспермия предполагает космический перенос жизни или её зачатков, но не объясняет их первоначальное возникновение.
• Опыты, опровергающие самозарождение в современных условиях, не раскрывают автоматически происхождение первой жизни.