2.2. Современные представления о возникновении жизни

Определения и обозначения

Химическая эволюция — постепенное образование органических веществ из неорганических и усложнение их организации до возникновения предшественников клеток. Она происходила ещё до появления настоящих организмов. Это понятие помогает отделить химические этапы происхождения жизни от последующей биологической эволюции.

Коацерваты — обособленные капли, возникающие при объединении молекул в водной среде. Внутри таких капель могли концентрироваться вещества и идти реакции, поэтому их рассматривают как модель предклеточных структур. Однако коацерваты не имеют полноценной наследственной системы.

Протобионты — предполагаемые предшественники первых клеток, сочетавшие обособленность от среды с некоторыми свойствами живых систем. Они могли поглощать вещества, поддерживать простые реакции и увеличиваться в размерах. Термин подчёркивает переходный характер таких образований: это ещё не организмы, но уже не просто раствор молекул.

Мир РНК — гипотеза о раннем этапе эволюции, на котором РНК могла и хранить наследственную информацию, и участвовать в химических реакциях. Такое совмещение функций облегчало появление самовоспроизводящихся систем. Позднее эти функции могли распределиться между ДНК и белками.

Как это устроено

Сложная клетка не могла внезапно появиться из набора готовых частей, потому что её мембрана, наследственный аппарат и обмен веществ связаны между собой. Каждая система должна была постепенно приобрести устойчивые функции, которые повышали её сохранность. Поэтому происхождение жизни связывают с длительной эволюцией материи, а не с одномоментным возникновением клетки.

На ранней Земле существовали вода, простые газы, минеральные вещества и мощные источники энергии. Ультрафиолетовое излучение, электрические разряды и вулканическое тепло могли запускать реакции между неорганическими соединениями. В результате могли появляться простые органические молекулы, а отсутствие современных организмов объясняет, почему такой синтез называют абиогенным.

Простые молекулы могли соединяться в цепи и более крупные структуры, если среда и источники энергии благоприятствовали этим реакциям. Так могли формироваться биологические полимеры, включая соединения, способные связывать информацию или ускорять химические процессы. Усложнение молекул создавало материал для будущей наследственности и обмена веществ.

Когда органические молекулы объединялись в воде, часть из них могла образовывать отделённые капли, подобные коацерватам. Внутри капель вещества концентрировались, а граница с окружающей средой позволяла поддерживать отличающийся химический состав. Но без наследственного материала и устойчивого воспроизведения такая капля не была живой, поэтому её считают лишь возможным шагом к протобионту.

Для перехода к биологической эволюции предклеточная система должна была сохранять информацию и копировать её хотя бы с небольшой точностью. Ошибки копирования создавали наследственную изменчивость, а различия в устойчивости и размножении позволяли естественному отбору сохранять более успешные варианты. Постепенно сочетание наследственности, обмена веществ и обособленности могло привести к первым клеткам.

Основные этапы предполагаемого возникновения жизни

Таблица показывает предполагаемую общую последовательность, а не абсолютно доказанный сценарий. При разборе нужно проверять, какой результат каждого этапа создаёт условия для следующего.

Особенно важно не переставлять местами образование полимеров, предклеточных структур и появление наследственности. Конкретные механизмы переходов остаются предметом исследований.

Разбор задач

Задача 1

Расположите по порядку этапы: образование простых органических веществ, появление протобионтов, объединение молекул в полимеры, возникновение первых клеток. Требуется восстановить последовательность химической эволюции. Нужно также увидеть, как один этап подготавливает следующий.

1. Сначала из неорганических веществ должны были появиться простые органические молекулы.
2. Затем они могли соединиться в более крупные цепи и полимеры.
3. После этого часть веществ могла объединиться в обособленные системы, то есть протобионты.
4. Завершает последовательность формирование первых клеток с устойчивой наследственностью и обменом веществ.

Ответ: образование простых органических веществ → объединение молекул в полимеры → появление протобионтов → возникновение первых клеток.

Задача 2

В образце обнаружены капли из органических молекул, способные поглощать вещества из среды, но не имеющие наследственного материала. Можно ли считать их живыми организмами? Для решения нужно сравнить свойства образца с основными признаками живого.

1. Поглощение веществ показывает, что внутри капель могут идти отдельные химические процессы.
2. Обособленность от среды делает их похожими на модели предклеточных структур.
3. Отсутствие наследственного материала означает невозможность устойчиво сохранять признаки и передавать их потомкам.
4. Без самовоспроизведения и наследственной изменчивости естественный отбор не может действовать как у живых систем.

Ответ: считать такие капли живыми организмами нельзя. Вероятнее всего, это коацерваты или близкие к ним предклеточные образования.

Задача 3

Объясните, почему система молекул, способная копировать наследственную информацию с ошибками, могла получить преимущество в эволюции предклеточных форм. Здесь важно связать копирование с изменчивостью и отбором. Сам факт ошибки полезен только тогда, когда разные варианты отличаются по успешности.

1. Копирование создаёт новые молекулы с сохранением исходной информации.
2. Ошибки копирования порождают варианты, то есть наследственную изменчивость.
3. Если один вариант быстрее воспроизводится или лучше сохраняется, его становится больше.
4. Повторение такого отбора постепенно усложняет предклеточные системы и закрепляет полезные свойства.

Ответ: копирование с ошибками давало материал для естественного отбора. Поэтому более устойчивые и эффективно воспроизводящиеся системы могли постепенно вытеснять менее успешные.

Типичные ошибки

Считать коацерваты живыми клетками. Ошибка возникает из-за их внешней похожести на обособленную клетку и способности накапливать вещества. Проверьте, есть ли у структуры наследственность, самовоспроизведение и согласованный обмен веществ.

Смешивать химическую и биологическую эволюцию. Первая описывает образование и усложнение молекул до появления жизни, а вторая — изменения уже живых систем. Для проверки спросите себя, существуют ли на данном этапе организмы и действует ли естественный отбор.

Считать последовательность возникновения жизни точно доказанной. Учёные подтверждают возможность отдельных реакций, но не имеют полного наблюдения древнего процесса. Поэтому отличайте установленные факты от гипотез и предполагаемых переходов.

Думать, что органические вещества образуются только при участии живых организмов. Такой вывод не учитывает абиогенный синтез в условиях ранней Земли. Проверьте, может ли описанная реакция идти под действием природных источников энергии без клеток.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атомов и молекул, свойствах органических веществ и признаках живого. Они помогают объяснить, какие соединения могли участвовать в химической эволюции и почему отдельная капля ещё не является организмом.

Тема опирается на представления о клетке, нуклеиновых кислотах, белках и обмене веществ. Эти знания позволяют сравнить протобионт с клеткой и понять роль РНК, наследственности и самовоспроизведения.

Представления о происхождении жизни подготавливают изучение эволюции, возникновения клеток и разнообразия организмов. Сначала формируются условия для жизни, затем биологическая эволюция изменяет уже существующие живые системы.

Что запомнить

• Современные гипотезы рассматривают возникновение жизни как длительный процесс.
• Органические вещества могли образовываться абиогенно.
• Усложнение молекул предшествовало появлению предклеточных структур.
• Коацерваты — модели возможных предшественников клеток, а не живые организмы.
• Для эволюции предклеточных систем важны наследственность и самовоспроизведение.
• Детали происхождения жизни остаются предметом научных исследований.