§ 34. Происхождение жизни на Земле

Определения и обозначения

Абиогенез — возникновение жизни из неживой материи. Раньше этим словом могли обозначать представление, что организмы регулярно самозарождаются из гниющих веществ; такие идеи не подтвердились для обычных современных условий. Сейчас абиогенез связывают прежде всего с гипотезой о постепенном происхождении первых живых систем на ранней Земле. Это различие помогает не смешивать древние представления с научными моделями химической эволюции.

Биогенез — происхождение живого только от живого. Опыты и наблюдения показали, что микроорганизмы в современных условиях появляются из других микроорганизмов, а не самопроизвольно в питательной среде. Принцип биогенеза описывает то, что происходит в доступных наблюдению условиях. Он важен для оценки опытов, но сам по себе не объясняет возникновение самых первых организмов.

Химическая эволюция — образование и постепенное усложнение органических веществ на ранней Земле до появления первых живых систем. Её рассматривают как возможную последовательность процессов, в которой простые соединения давали начало более сложным молекулам и их объединениям. Так можно искать естественный переход от неживой материи к клеточным системам. Однако отдельные этапы этой последовательности подтверждены неодинаково.

Коацерватные капли — обособленные скопления органических молекул в воде, отделённые от окружающей среды границей из молекул. Они могут поглощать вещества и увеличиваться, поэтому их изучают как возможных предшественников клеток. Но коацерват не обладает полным набором свойств живого организма, например надёжной наследственной системой. Термин обозначает модель протобионта, а не древнюю клетку, существование которой уже доказано.

Как это устроено

Представления о происхождении жизни включают креационизм, самозарождение, панспермию и гипотезы земного происхождения. Креационизм объясняет появление жизни актом творения и относится к мировоззренческим утверждениям, которые не проверяют экспериментом так же, как научные гипотезы. Самозарождение предполагало регулярное появление организмов из неживого вещества, а панспермия — перенос жизни из космоса. Научные гипотезы о земном происхождении формулируют проверяемые предположения о процессах на ранней Земле; гипотеза должна допускать проверку наблюдениями или опытом.

Опыты Реди, Спалланцани и Пастера постепенно проверяли, действительно ли живое возникает в питательной среде само. Реди накрывал мясо тканью: мухи не могли отложить на нём яйца, и личинки на мясе не появлялись. Спалланцани кипятил питательные жидкости и герметично закрывал сосуды, а Пастер использовал колбы с изогнутым горлышком, куда пыль и микроорганизмы не попадали в бульон. Отсутствие роста микробов при защите от загрязнения подтвердило биогенез в проверенных условиях; эти опыты не воспроизводили обстановку ранней Земли.

На ранней Земле могли существовать источники энергии — молнии, ультрафиолетовое излучение и тепло, — способные запускать химические реакции. В атмосфере, океане и у вулканических источников могли образовываться и накапливаться простые органические соединения. Точный состав древней атмосферы и условия синтеза остаются предметом исследований, поэтому модели не следует считать точной копией прошлого. В опыте Миллера и Юри электрические разряды пропускали через смесь газов и водяного пара; появление некоторых органических веществ подтвердило возможность абиотического синтеза в заданной модели.

Согласно моделям химической эволюции, сначала возникали простые органические соединения, затем из них могли образовываться более сложные молекулы. Следующий предполагаемый шаг — объединение молекул в системы, способные поддерживать реакции обмена веществ и сохранять информацию о строении. Это объясняет, почему клеткам должны были предшествовать химические процессы и молекулярные структуры. Исследователи пока не установили единственный путь появления наследственности и обмена веществ.

Протобионтами называют модели обособленных молекулярных систем, у которых могли появляться отдельные свойства, напоминающие свойства клеток. Коацерватные капли — один из примеров: граница между каплей и водой позволяет сосредоточить вещества, а внутренние реакции могут отличаться от внешних. Но одних таких свойств недостаточно, чтобы считать каплю живой: необходимы воспроизведение, наследственная информация и согласованная работа множества процессов. Поэтому переход от протобионтов к первым клеткам остаётся открытым научным вопросом.

Гипотезы и этапы представлений о происхождении жизни

Сравнивайте идеи в таблице по трём вопросам: что именно предполагает гипотеза, на каких данных или моделях она основана и что пока не объясняет. Этапы химической эволюции показывают предполагаемый порядок усложнения, а не доказанную во всех деталях историю. Особенно важно различать перенос уже существующей жизни и её первоначальное возникновение.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему появление личинок на мясе в опытах Реди не доказывает самозарождение. Нужно выяснить, откуда на мясе взялись личинки, а не только зафиксировать их наличие. Для этого сравнивают открытый кусок мяса с защищённым от мух. Решение:

1. Мухи могут садиться на открытое мясо и откладывать на нём яйца.
2. В открытом сосуде из яиц развиваются личинки, поэтому они появляются на мясе.
3. Если ткань не пропускает мух, но пропускает воздух, личинок на мясе не возникает: источник развития оказался исключён.

Ответ: личинки развиваются из яиц мух, а не возникают из мяса. Опыт показывает, почему одно наблюдение без проверки источника не доказывает самозарождение.

Задача 2. В опыте Миллера и Юри через смесь газов пропускали электрические разряды. Определите, какую гипотезу проверял опыт и какой вывод из него допустим. Здесь важно отделить получение органических молекул от появления организма. Решение:

1. Опыт моделировал некоторые предполагаемые условия ранней Земли, в которых источники энергии могли вызывать химические реакции.
2. Затем исследователи обнаружили в установке образовавшиеся органические вещества, в том числе аминокислоты.
3. Результат проверял возможность абиотического синтеза органики, но не показывал самосборку живой клетки или появление наследственности.

Ответ: опыт поддержал гипотезу о возможности образования некоторых органических веществ без организмов. Утверждать, что в нём создали жизнь, нельзя.

Задача 3. Расположите события: образование органических молекул, появление протобионтов, формирование систем наследственности и обмена веществ, возникновение первых клеток. Обоснуйте порядок, учитывая, что клеточная организация требует уже существующих молекул и согласованных процессов. Решение:

1. Сначала должны появиться органические молекулы — исходный материал для более сложных структур.
2. Из них могли формироваться обособленные системы, то есть протобионты; внутри таких систем могли развиваться отдельные реакции.
3. Затем предполагают формирование систем обмена веществ и наследственности, необходимых для воспроизведения и передачи информации.
4. Согласованное объединение этих свойств позволяет говорить о возникновении первых клеток.

Ответ: органические молекулы → протобионты → системы наследственности и обмена веществ → первые клетки. Это предполагаемая схема, а не окончательно установленная последовательность всех событий.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что опыты Пастера опровергли возникновение жизни на ранней Земле. Пастер исследовал современные условия и показал, что микроорганизмы не появляются в защищённом бульоне без попадания загрязнений. Его опыт не воссоздавал древнюю среду и не проверял все возможные химические реакции. Проверьте себя вопросом: шла ли речь о происхождении первой жизни или о росте микробов в готовой питательной среде?

Ошибка: называть панспермию объяснением первоначального происхождения жизни. Её часто принимают за полное объяснение, потому что она указывает возможное место, откуда жизнь могла попасть на Землю. Но перенос отвечает на вопрос «откуда прибыло», а не «как возникло впервые». Для самопроверки уточните, описывает ли гипотеза появление жизни или только перемещение уже существующей.

Ошибка: приравнивать коацерватные капли к живым клеткам. Их обособленность и способность накапливать вещества напоминают отдельные свойства клетки, поэтому модели легко принять за саму жизнь. Однако у коацерватов нет полного набора систем, необходимых для самостоятельного существования и воспроизведения. Проверьте, есть ли у рассматриваемой структуры наследственность и согласованный обмен веществ, а не только граница.

Ошибка: утверждать, что опыт Миллера и Юри создал жизнь. Такое впечатление возникает, если слова «органические вещества» и «живые организмы» считать равнозначными. В опыте получили некоторые соединения, но не клетку и не организм. Самопроверка проста: уточните, что именно было обнаружено в установке, и не делайте вывод шире результата.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в происхождении жизни, нужно различать живую и неживую материю, знать признаки живого и свойства органических молекул. Эти знания помогают понять, почему образование отдельной органической молекулы ещё не означает появления организма. Тема связана с происхождением и эволюцией клеток, возникновением наследственности и ранними этапами биологической эволюции. Она показывает, какие уровни организации должны были сформироваться до того, как стала возможна эволюция живых организмов.

Что запомнить

• Биогенез описывает происхождение живого от живого в наблюдаемых современных условиях.
• Самозарождение организмов в обычных современных условиях не подтвердилось.
• Панспермия предполагает космический перенос жизни, но не объясняет её первоначальное возникновение.
• Опыты Миллера и Юри показали возможность абиотического образования некоторых органических веществ.
• Химическая эволюция — гипотеза о последовательном усложнении веществ и систем до появления первых клеток.
• Коацерватные капли — модель возможных предшественников клеток, а не сами живые организмы.