4.15. Современные представления о возникновении жизни 

Определения и обозначения

Биохимическая эволюция — гипотеза, согласно которой жизнь возникла на Земле в результате постепенного перехода от неживых веществ к сложным органическим соединениям и первым живым системам. Иначе говоря, речь идёт не о появлении готового организма, а о последовательных изменениях веществ. Это понятие помогает описывать возможные промежуточные этапы между химией и жизнью.

Коацерваты — капли из молекул органических веществ в воде, которые могли обособлять внутреннюю среду, но сами по себе не являются живыми организмами. Их можно представить как скопления молекул, отделённые от окружающей жидкости границей. Коацерваты важны как модели, помогающие изучать, каким образом могли возникать обособленные системы.

Протобионты — предполагаемые предшественники первых клеток, обладавшие некоторыми свойствами живых систем, например обособленностью от среды. Это название относится к возможным промежуточным системам, а не к установленной группе древних организмов. Понятие нужно, чтобы обсуждать переход от простых молекулярных скоплений к клеткам.

РНК-мир — гипотеза о раннем этапе эволюции, на котором молекулы РНК могли одновременно хранить наследственную информацию и участвовать в химических реакциях. РНК здесь рассматривается как возможный посредник между простыми молекулами и более сложными системами. Эта гипотеза объясняет, как одна молекула могла совмещать функции, которые позднее выполняют разные вещества.

Как это устроено

Научная гипотеза биохимической эволюции отличается от представления о внезапном появлении готовых организмов тем, что предполагает ряд последовательных переходов. Каждый переход должен быть объяснён отдельно: нужно понять, какие вещества участвовали, какие условия способствовали реакциям и как сохранялись получившиеся структуры. Такая постановка вопроса позволяет проверять отдельные части гипотезы экспериментально. При этом наличие правдоподобной последовательности ещё не означает, что все её этапы уже доказаны.

Сначала из неорганических веществ могли образовываться простые органические соединения. Для этого нужны источники энергии и подходящие условия, например молнии, ультрафиолетовое излучение или тепло. Затем простые соединения могли вступать в реакции и давать более крупные молекулы. Такие этапы рассматривают как химическую эволюцию, потому что менялся состав и сложность веществ, но живые организмы ещё не возникали.

Следующий вопрос — каким образом молекулы могли объединяться в системы с внутренней средой. Коацерваты и другие молекулярные образования рассматривают как возможные модели таких систем: обособленность могла создавать условия для взаимодействия веществ внутри скопления. Однако одной границы недостаточно, чтобы назвать образование живым. Нужно объяснить, как оно могло устойчиво воспроизводиться, передавать информацию и изменяться из поколения в поколение, поэтому коацерваты не считают доказанными первыми организмами.

В опыте Миллера—Юри исследователи создали установку, в которой моделировались некоторые условия, предполагавшиеся для ранней Земли. Через смесь газов пропускали электрические разряды, изображавшие молнии, а затем анализировали образовавшиеся вещества. В результате были получены некоторые органические соединения, включая аминокислоты. Опыт показал, что для образования таких веществ не обязательно участие живых организмов, но не воспроизвёл возникновение самовоспроизводящейся клетки.

Гипотеза РНК-мира предлагает возможное объяснение раннего совмещения двух важных функций. Некоторые молекулы РНК способны не только нести информацию, но и ускорять химические реакции, поэтому их рассматривают как возможных участников ранней эволюции. В современных клетках хранение основной наследственной информации связано прежде всего с ДНК, а многие реакции ускоряют белки-ферменты. Предполагается, что разделение этих функций могло произойти позднее, однако детали такого перехода остаются предметом исследований.

Гипотезы и этапы объяснения происхождения жизни

Сравнивайте строки по двум вопросам: какую часть проблемы объясняет подход и что остаётся неизвестным. Например, образование органических веществ относится к возможному этапу биохимической эволюции, а панспермия предлагает иной вариант места переноса жизни. Ни один из перечисленных подходов сам по себе не даёт полного подтверждённого ответа о происхождении первых живых систем.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему образование органических веществ в опыте Миллера—Юри не доказывает, что жизнь возникла именно таким путём. Важно разделить два результата: появление отдельных соединений и появление системы, способной поддерживать себя и воспроизводиться. Решение строим, сопоставляя, что именно моделировали учёные и чего опыт не проверял.

1. Определяем результат опыта: в моделируемых условиях удалось получить некоторые органические вещества. Это показывает возможность абиогенного синтеза отдельных соединений. Следовательно, опыт поддерживает только часть гипотезы о химической эволюции.
2. Проверяем, была ли получена клетка или самовоспроизводящаяся система. Опыт не показал появления системы с обменом веществ, наследственностью и передачей информации потомству. Значит, результат нельзя приравнять к возникновению жизни.
3. Сопоставляем опыт с утверждением задачи. Чтобы доказать конкретный путь возникновения жизни, потребовалось бы объяснить все промежуточные этапы, а не только образование отдельных молекул. Полученный результат не устанавливает, что события ранней Земли происходили именно так.

Ответ. Опыт Миллера—Юри показал, что некоторые органические вещества могут образовываться без участия организмов в моделируемых условиях. Он не создал клетку и не объяснил появление самовоспроизводящейся системы, поэтому не доказывает весь путь возникновения жизни.

Задача 2. Расположите этапы биохимической эволюции в предполагаемой последовательности: образование простых органических веществ, формирование сложных молекул, возникновение обособленных молекулярных систем. Здесь нужно восстановить направление усложнения, а не просто повторить перечисление. Для этого проследим, что может служить материалом для следующего этапа.

1. Первым ставим образование простых органических веществ из более простых исходных соединений. Без таких молекул не было бы исходного материала для дальнейших химических превращений. На этом этапе ещё нет ни сложных систем, ни клеток.
2. Вторым идёт формирование более сложных молекул из простых соединений. В результате появляются структуры, которые могут взаимодействовать друг с другом и выполнять более разнообразные химические функции. Этот этап опирается на наличие простых органических веществ.
3. Последними ставим обособленные молекулярные системы, в которых вещества могли взаимодействовать в ограниченном пространстве. Их появление предполагает, что нужные молекулы уже образовались и могли объединиться. Такие системы рассматривают как возможных предшественников клеток, а не как доказанную жизнь.

Ответ. Предполагаемая последовательность: образование простых органических веществ → формирование сложных молекул → возникновение обособленных молекулярных систем. Стрелки показывают порядок предполагаемого усложнения, а не доказанную историю каждой конкретной молекулы.

Задача 3. Сравните гипотезы биохимической эволюции и панспермии: укажите, где предполагается возникновение жизни и какой вопрос каждая гипотеза оставляет открытым. Необходимо отличить место предполагаемых событий от объяснения их механизма. Сравнение удобно вести отдельно по двум признакам: предполагаемое место и нерешённый вопрос.

1. Для биохимической эволюции предполагаемое место возникновения жизни — Земля. Гипотеза описывает постепенное усложнение веществ и образование систем, которые могли предшествовать клеткам. Открытым остаётся вопрос, как именно возникли первые системы с наследственностью и самовоспроизведением.
2. Панспермия допускает, что жизнь или её зачатки были перенесены на Землю из космоса. Поэтому она предлагает возможное место, откуда материал мог попасть на нашу планету, но не раскрывает первоначального механизма появления жизни. Вопрос о том, где и как жизнь возникла впервые, остаётся за пределами её объяснения.
3. Сравниваем, насколько далеко каждая гипотеза отвечает на вопрос. Биохимическая эволюция предлагает сценарий земных химических этапов, а панспермия — возможный перенос жизни. Ни один вариант нельзя считать окончательным ответом на проблему происхождения жизни.

Ответ. Биохимическая эволюция предполагает возникновение жизни на Земле и оставляет открытым механизм перехода от веществ к живой системе. Панспермия допускает перенос жизни из космоса, но не объясняет, где и как она возникла первоначально.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что опыт Миллера—Юри создал жизнь. Обычно так думают, потому что в опыте действительно появились органические вещества. Но отдельные молекулы — ещё не клетка и не система, способная размножаться. Проверьте себя вопросом: возникли ли в установке наследственность и самовоспроизведение? Нет, поэтому опыт подтверждает лишь возможность синтеза некоторых соединений.

Ошибка: называть коацерваты живыми организмами. Их обособленная капельная форма напоминает простейшую границу клетки, поэтому сходство может ввести в заблуждение. Однако не доказано, что коацерваты обладали всеми необходимыми признаками жизни, включая наследственность и полноценное самовоспроизведение. Для проверки перечислите признаки живого и спросите, подтверждён ли каждый из них для коацерватов.

Ошибка: считать панспермию окончательным объяснением происхождения жизни. Идея переноса из космоса отвечает на вопрос, как жизнь могла попасть на Землю, но не объясняет её первоначальное появление. Ошибка возникает, если смешать перенос и возникновение. Проверьте вывод вопросом: объясняет ли гипотеза, откуда жизнь появилась впервые? Панспермия этого не делает.

Ошибка: представлять РНК-мир установленным фактом. Гипотеза кажется убедительной, потому что РНК может и хранить информацию, и участвовать в реакциях. Но возможность таких функций не доказывает, что именно так проходили все ранние этапы. Уточняйте формулировку: это научное предположение, а детали происхождения первых систем остаются предметом исследований.

Связь с другими темами

Для понимания темы пригодятся знания о составе и свойствах органических веществ: они помогают проследить, как молекулы могут вступать в реакции и усложняться. Представления о строении клетки и признаках живого нужны, чтобы отличать обособленную каплю вещества от организма. Тема связывает химические реакции с эволюционным учением, которое рассматривает постепенные изменения систем. Она также показывает, почему молекулярная биология и астробиология изучают происхождение жизни и возможные условия её существования.

Что запомнить

• Происхождение жизни изучают как научную проблему, для которой пока нет полного подтверждённого объяснения.
• Биохимическая эволюция предполагает постепенное усложнение веществ и систем.
• Абиогенное образование органических соединений возможно, но само по себе не означает возникновения жизни.
• Коацерваты рассматривают как модели возможных предшественников клеток, а не как доказанных первых организмов.
• Опыт Миллера—Юри подтвердил возможность синтеза некоторых органических веществ в моделируемых условиях.
• Гипотеза панспермии переносит вопрос о происхождении жизни за пределы Земли, но не решает его.
• РНК-мир — одна из гипотез о раннем этапе происхождения жизни.