§ 41. Современные представления о возникновении жизни

Определения и обозначения

Абиогенез — представление о возникновении жизни из неживого вещества. В современном смысле это не внезапное самозарождение готовых организмов, а постепенное формирование сложных систем из простых соединений. Термин нужен, чтобы обозначить химический этап появления жизни.

Биохимическая эволюция — последовательное усложнение неживых химических систем, которое привело к появлению первых клеточных форм. Сначала возникали молекулы, затем их объединения и протоклетки. Это понятие связывает химические реакции с последующим появлением живых организмов.

Коацерватные капли — обособленные скопления органических веществ в воде. Внутри них вещества могли концентрироваться и взаимодействовать, а внешняя граница отделяла содержимое от окружающей среды. Поэтому такие капли считают возможными предшественниками первых клеток, но не самими клетками.

Гипотеза РНК-мира предполагает, что на раннем этапе РНК одновременно хранила наследственную информацию и ускоряла химические реакции. Такое совмещение функций помогло бы объяснить, как появились первые самовоспроизводящиеся системы. Позднее эти функции могли распределиться между ДНК и белками.

Как это устроено

На ранней Земле существовали вода и различные неорганические соединения, а источниками энергии служили молнии, вулканическое тепло и ультрафиолетовое излучение. Восстановительная или слабоокислительная атмосфера могла облегчать образование новых связей между атомами. Поэтому простые вещества получали возможность превращаться в более сложные органические соединения.

Из неорганических веществ могли возникать простые органические молекулы, например исходные соединения для аминокислот и нуклеотидов. Их накопление создавало материал для синтеза белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов. Усложнение было возможным потому, что энергия среды поддерживала реакции, а вода служила средой для перемещения и взаимодействия веществ.

Органические молекулы могли объединяться в коацерватные капли и отделяться от окружающего раствора. Внутри капли вещества концентрировались, поэтому некоторые реакции шли легче, чем в сильно разбавленной воде. Обособленная внутренняя среда стала предпосылкой для появления протоклеток, хотя ещё не обеспечивала полноценной жизнедеятельности.

Решающим шагом стало возникновение наследственности и самовоспроизведения. Если молекула могла создавать подобные себе копии, удачные изменения сохранялись и передавались следующим системам. С этого момента химические структуры получили возможность постепенно изменяться и отбираться, то есть начался переход к биологической эволюции.

Гипотеза биохимической эволюции описывает последовательное усложнение веществ, а гипотеза РНК-мира уточняет возможную роль первой информационной молекулы. Панспермия предлагает другой вариант: жизнь или её исходные вещества могли попасть на Землю из космоса. Однако ни одна гипотеза пока не показывает полностью, как возникла первая самовоспроизводящаяся клетка.

Основные гипотезы происхождения жизни

Таблица помогает сравнить не только идеи, но и границы их доказательности. В графе «Подтверждающие данные» указаны наблюдения или эксперименты, согласующиеся с гипотезой, а в последней графе — вопросы, на которые она пока не отвечает.

Научная гипотеза должна допускать проверку наблюдениями или опытами. Креационистские представления относятся к мировоззренческим, а не к научным объяснениям, поскольку их исходное утверждение нельзя проверить теми же методами.

Разбор задач

1. Последовательность этапов

Условие: расположить этапы: образование органических веществ, появление самовоспроизводящихся молекул, формирование протоклеток, возникновение первых клеток. Нужно восстановить переход от химической эволюции к биологической.

1. Сначала должны появиться органические молекулы, потому что без исходного материала не смогут образоваться более сложные системы.
2. Затем возникают молекулы, способные воспроизводить свою структуру и сохранять изменения.
3. После этого органические вещества объединяются в обособленные протоклетки.
4. Усовершенствование оболочки, обмена веществ и наследственности приводит к первым клеткам.

Ответ: образование органических веществ → появление самовоспроизводящихся молекул → формирование протоклеток → возникновение первых клеток.

2. Опыт Миллера—Юри

Условие: объяснить, почему опыт считают подтверждением возможности абиогенного синтеза, но не доказательством полного происхождения жизни. Нужно отделить результат эксперимента от слишком широкого вывода.

1. В установке моделировали воду, газы и источник энергии, которые могли соответствовать некоторым условиям древней Земли.
2. После воздействия энергии в смеси обнаружили органические соединения, в том числе вещества, связанные с образованием аминокислот.
3. Это подтверждает, что отдельные органические молекулы способны возникать из неорганических без участия живых организмов.
4. Но в опыте не получились полноценные наследственная система, обмен веществ и клеточная оболочка, поэтому появление жизни целиком он не доказал.

Ответ: эксперимент подтвердил возможность одного этапа абиогенеза — образования органических веществ, но не объяснил переход к первой самовоспроизводящейся клетке.

3. Биохимическая эволюция и панспермия

Условие: сравнить две гипотезы и определить, какая объясняет происхождение жизни на Земле, а какая переносит место её возникновения. Сначала нужно выяснить, где каждая гипотеза помещает главный процесс.

1. Биохимическая эволюция ищет источник жизни в химических превращениях, происходивших на молодой Земле.
2. Панспермия предполагает, что готовые живые формы или органические вещества прибыли из космоса.
3. Органические соединения в метеоритах поддерживают возможность космического переноса, но не доказывают перенос живых клеток.
4. Следовательно, панспермия может объяснить доставку материала, но оставляет без ответа вопрос о его первоначальном возникновении.

Ответ: биохимическая эволюция объясняет возможное происхождение жизни на Земле, а панспермия переносит место её возникновения в космос и не решает исходную проблему.

Типичные ошибки

Отождествлять абиогенез с бытовым самозарождением сложных организмов — ошибка. Её допускают, если не различают внезапное появление готового организма и постепенный химический путь. Проверка проста: спросите себя, идёт ли речь о длительном формировании клеточных систем.

Считать опыт Миллера—Юри доказательством первой клетки тоже неверно. Такой вывод возникает из-за расширения результата эксперимента: в нём получили лишь некоторые органические вещества. Нужно уточнить, были ли показаны наследственность, обмен веществ и клеточная организация.

Коацерватные капли нельзя называть живыми клетками. Они могли концентрировать вещества и отделять внутреннюю среду, но не имели полноценного воспроизведения и обмена. Если отсутствует наследственная система, перед нами предшественник клетки, а не организм.

Панспермия не является окончательным объяснением происхождения жизни. Она предполагает занос жизни или органических веществ из космоса, поэтому вопрос об их первом появлении сохраняется. Проверьте, объясняет ли гипотеза начало процесса или только перенос.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны знания о химическом составе клетки, свойствах белков и нуклеиновых кислот, условиях существования древней Земли и понятии эволюции. Эти сведения помогают понять, из каких веществ могли складываться первые системы.

Дальше тема связана с происхождением и строением первых клеток, эволюцией организмов, наследственностью и ролью нуклеиновых кислот. Она показывает, почему способность хранить и передавать информацию стала основой биологической эволюции.

Связь с химией проявляется в изучении органического синтеза и реакций молекул, а с геологией — в восстановлении условий древней Земли. Геологические данные помогают оценивать состав атмосферы, возраст планеты и возможные источники энергии.

Что запомнить

• Современная наука рассматривает возникновение жизни как длительный переход от химической эволюции к биологической.
• Для образования органических веществ нужны исходные неорганические соединения и источник энергии.
• Коацерватные капли могли быть предшественниками клеток, но сами ещё не являлись живыми организмами.
• Ключевым свойством первых живых систем должна была стать способность к самовоспроизведению.
• Гипотеза РНК-мира связывает хранение наследственной информации и катализ химических реакций с одной молекулой.
• Опыт Миллера—Юри подтверждает возможность абиогенного образования органических веществ, но не раскрывает весь механизм появления жизни.
• Панспермия объясняет возможный перенос жизни, но не её первоначальное происхождение.