§ 89. Гипотезы о происхождении жизни

Определения и обозначения

Креационизм — представление о том, что жизнь возникла благодаря внеземной или сверхъестественной силе. Варианты этой идеи связывают творение с божественным вмешательством либо с разумным внеземным создателем. Такие объяснения важны для понимания истории взглядов, но их нельзя проверить научными опытами так же, как гипотезы о природных процессах.

Самозарождение — историческая гипотеза о появлении готовых живых организмов из неживого вещества в обычных, современных условиях. Например, прежде полагали, что черви могут возникать из разлагающегося мяса. Эта идея объясняла наблюдения до появления надёжных экспериментов, но была опровергнута опытами с контролем доступа живых организмов.

Панспермия — гипотеза, согласно которой жизнь или её зародыши были занесены на Землю из космоса. Переносчиками могли предполагаться метеориты или космическая пыль. Эта гипотеза предлагает возможный путь попадания жизни на Землю, но не отвечает, где и как она возникла первоначально.

Биохимическая эволюция — научная гипотеза о постепенном возникновении жизни через образование органических веществ и усложнение химических систем на ранней Земле. Она помогает представить переход от неживой химии к первым протоклеткам как последовательность этапов, а не как мгновенное появление готового организма. При этом детали и порядок некоторых процессов продолжают обсуждаться.

Как это устроено

Многообразие гипотез связано с тем, что происхождение жизни произошло в далёком прошлом и напрямую наблюдать его нельзя. Следы первых процессов могли измениться или исчезнуть за миллиарды лет. Поэтому учёные сопоставляют геологические данные, результаты химических опытов и закономерности строения живых организмов. Разные гипотезы объясняют отдельные стороны вопроса, но степень их проверяемости неодинакова.

Представления о самозарождении возникли, когда люди наблюдали появление личинок на мясе или микроорганизмов в настоях и не знали об их источниках. Ф. Реди показал, что личинки на мясе появляются из яиц мух: закрытое от мух мясо оставалось без личинок. Л. Спалланцани кипятил питательные жидкости и герметично закрывал сосуды, после чего в них не наблюдалось роста микроорганизмов. Л. Пастер усовершенствовал проверку, отделив бульон от пыли воздуха, и тем самым показал, что в таких опытах микробы попадают из окружающей среды, а не возникают сами.

Для химической эволюции нужны условия, при которых простые вещества могут вступать в реакции и продукты реакций не разрушаются слишком быстро. В моделях ранней Земли рассматривают восстановительную атмосферу — среду с веществами, способными отдавать электроны, — и источники энергии: молнии, ультрафиолетовое излучение, вулканическое тепло. Вода могла служить средой для реакций и накопления соединений. Отсутствие свободного кислорода было важно потому, что кислород способен окислять и разрушать некоторые органические вещества, необходимые для дальнейшего усложнения систем.

Гипотеза Опарина—Холдейна предполагает последовательное усложнение веществ. Сначала из простых неорганических соединений могли образовываться небольшие органические молекулы, затем они накапливались в водоёмах, которые образно называют «первичным бульоном». Из молекул могли формироваться более крупные соединения — полимеры, а отдельные химические системы могли окружаться оболочками, похожими на мембраны. Такие структуры называют протоклетками: они ещё не были полноценными клетками, но могли стать этапом на пути к ним.

Научная гипотеза — обоснованное предположение, которое можно сопоставлять с наблюдениями и проверять. Гипотеза не становится доказанным фактом только потому, что она научная: для этого нужны убедительные подтверждения, а выводы могут пересматриваться при появлении новых данных. Происхождение жизни нельзя повторить в точности в лаборатории, поэтому отдельные этапы изучают с помощью моделей и экспериментов. Ни одна из существующих гипотез пока не объясняет весь путь от неживых веществ до первых организмов с полной уверенностью.

Основные гипотезы происхождения жизни

В таблице сопоставлены идеи гипотез, предполагаемый источник жизни и их научная оценка. Сравнивая строки, проверяй, объясняет ли гипотеза первоначальное возникновение жизни или только предполагает её перенос либо вечное существование. Оценка показывает не «правильность» мировоззрения, а возможность научной проверки и подтверждения.

Разбор задач

Задача 1. Распредели утверждения по гипотезам: жизнь создана сверхъестественной силой; первые органические вещества возникли из неорганических; живые зародыши занесены из космоса. Нужно не угадывать название, а выделить источник жизни, названный в каждом предложении. Сопоставь его с основными идеями гипотез из таблицы.

1. В первом утверждении источник жизни — сверхъестественная сила. Именно это является ключевым признаком креационизма, поэтому утверждение относим к нему.
2. Во втором говорится о возникновении органических веществ из неорганических. Это этап постепенных химических изменений, характерный для биохимической эволюции.
3. В третьем утверждении жизнь переносится из космоса. Такой перенос предполагает панспермия, а не биохимическая эволюция на ранней Земле.

Ответ: сверхъестественное творение — креационизм; образование органических веществ — биохимическая эволюция; космический занос — панспермия. Проверка проста: спроси, откуда, согласно утверждению, взялась жизнь или её исходные вещества.

Задача 2. Объясни, почему опыт Л. Пастера с колбой, имеющей S-образное горлышко, опровергает самозарождение микроорганизмов. В колбу наливали питательный бульон и кипятили его, чтобы уничтожить микроорганизмы. Затем колбу оставляли открытой для воздуха, но изогнутое горлышко задерживало пыль с микробами.

1. Кипячение устраняло микроорганизмы, уже находившиеся в бульоне.
2. Воздух поступал внутрь, поэтому отсутствие роста нельзя было объяснить полной герметичностью сосуда.
3. Пыль оседала в изгибе горлышка и не попадала в питательную жидкость; бульон оставался чистым.
4. Когда бульон получал контакт с частицами, задержанными в горлышке, в нём могли появиться микроорганизмы. Значит, их источником были уже существовавшие микробы, а не само питательное вещество.

Ответ: опыт показал, что микроорганизмы не возникают в прокипячённом бульоне сами по себе, если загрязнённая пыль не попадает в него. S-образное горлышко пропускало воздух, но задерживало пыль — переносчик микробов.

Задача 3. Расположи этапы биохимической эволюции: образование простых органических веществ, формирование полимеров, возникновение мембранных структур, появление первых клеток. Чтобы восстановить порядок, выясни, какие структуры должны существовать раньше, чтобы могли появиться более сложные.

1. Сначала образуются простые органические вещества из доступных на ранней Земле соединений.
2. Затем небольшие молекулы соединяются в полимеры — более крупные молекулы из повторяющихся звеньев.
3. Далее возникают мембранные структуры, способные отделять внутреннюю среду от внешней.
4. После этого в гипотетической последовательности появляются первые клетки, обладающие более целостной организацией.

Ответ: простые органические вещества → полимеры → мембранные структуры → первые клетки. Эта цепочка показывает усложнение химических систем, но не означает, что каждый переход полностью объяснён и доказан.

Типичные ошибки

Ошибка: считать панспермию полным объяснением происхождения жизни. Обычно её принимают за ответ, потому что она указывает возможный источник зародышей жизни — космос. Но перенос не объясняет, как жизнь возникла первоначально. Проверь себя вопросом: объясняет ли гипотеза появление первой жизни или только её попадание на Землю?

Ошибка: путать самозарождение с биохимической эволюцией. В обоих случаях речь идёт о связи живого с неживым, поэтому названия легко смешать. Самозарождение предполагает появление готовых организмов в современных условиях, а биохимическая эволюция — длительное усложнение химических систем на ранней Земле. Для проверки сравни, идёт ли речь о готовом организме или о последовательных промежуточных этапах.

Ошибка: называть гипотезу Опарина—Холдейна доказанной теорией. Её подробная последовательность кажется убедительной, а некоторые химические процессы можно моделировать в лаборатории. Однако подтверждение отдельных этапов не доказывает всю цепочку целиком. Уточняй формулировку: это научная гипотеза, отдельные положения которой изучаются и обсуждаются.

Ошибка: считать отсутствие свободного кислорода недостатком для возникновения жизни. Так думают, потому что кислород необходим многим современным организмам для дыхания. Но первые органические соединения могли разрушаться при окислении, поэтому отсутствие свободного кислорода могло помогать им сохраняться. Проверяй себя: отличай условия для первых химических систем от потребностей уже существующих организмов.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в происхождении жизни, полезно знать, чем живое отличается от неживого, как устроена клетка и какие уровни организации есть у организмов. С химией тему связывают свойства углерода, образование органических соединений и полимеров, а также реакции в водной среде. Эти знания помогут понять, какие изменения могли предшествовать клеточной жизни. Позже тема пригодится при изучении эволюции, первых организмов и развития жизни на Земле.

Что запомнить

• Происхождение жизни — научная проблема, для которой предложено несколько гипотез.
• Самозарождение утверждало появление готовых организмов из неживого вещества и было опровергнуто экспериментально.
• Панспермия связывает появление жизни на Земле с заносом её зародышей из космоса.
• Биохимическая эволюция предполагает постепенное усложнение неживых химических систем.
• Гипотеза Опарина—Холдейна связывает происхождение жизни с условиями ранней Земли.
• Научная гипотеза должна опираться на факты и допускать проверку, но не всякая гипотеза уже доказана.
• Современная наука рассматривает происхождение жизни как последовательность химических и биологических этапов.