§ 35. Современные представления о возникновении жизни

Определения и обозначения

Биопоэз — возникновение первых живых систем из неживого вещества. Он отличается от появления организмов из уже существующих: при биопоэзе предполагается переход от неживой природы к живой в особых условиях ранней Земли, а не обычное размножение.

Химическая эволюция — последовательное образование и усложнение органических веществ из неорганических соединений. Это понятие помогает описать возможную подготовительную стадию биопоэза, когда сложных организмов ещё не было, но возникали молекулы, из которых могли сформироваться более сложные системы.

Коацерват — капля, самопроизвольно образующаяся в растворе из органических молекул. Она может обособляться от окружающей жидкости и накапливать вещества, поэтому служит моделью возможного предшественника клетки; однако у неё нет полного набора свойств живого организма.

Мир РНК — гипотеза, согласно которой на ранних этапах эволюции РНК могла и хранить наследственную информацию, и ускорять некоторые реакции. Так объясняют, как функции, позднее распределившиеся между ДНК и белками, могли быть связаны в более простой системе.

Как это устроено

Ранняя Земля отличалась от современной атмосферой и условиями на поверхности. В атмосфере, вероятно, было мало свободного кислорода, а озоновый слой ещё не сформировался; поэтому ультрафиолет достигал поверхности и мог участвовать в химических превращениях. Энергию для реакций также давали электрические разряды, вулканическая активность и нагрев. При таких источниках энергии простые неорганические вещества могли вступать в реакции и образовывать органические соединения.

Опыт Миллера и Юри проверял не появление жизни, а возможность одного из её предполагаемых подготовительных этапов. Учёные пропускали электрические разряды через смесь газов, моделировавшую некоторые представления об атмосфере ранней Земли, а затем исследовали полученные вещества. Среди них обнаружили органические соединения, в том числе аминокислоты. Это показало, что отдельные органические молекулы могут возникать абиогенно в смоделированных условиях, но не доказало, что именно так выглядела атмосфера Земли или что в опыте возникли клетка и жизнь.

Если органические молекулы накапливались, часть из них могла соединяться в более крупные структуры. Такие структуры могли взаимодействовать, включать новые молекулы и создавать локальную среду, отличающуюся от окружающего раствора. Обособление важно потому, что внутри ограниченного объёма вещества легче вступают во взаимодействия и могут поддерживать простые цепочки реакций. Однако путь от этих систем к наследованию, устойчивому обмену веществ и размножению остаётся предметом исследований.

Коацерваты и другие протоклеточные модели позволяют изучать отдельные свойства возможных предшественников клеток. Например, обособленная капля показывает, как молекулярное скопление могло отделиться от среды и избирательно накапливать вещества. Но наличие границы или простого обмена молекулами не означает, что перед нами живой организм: модель не обязательно умеет самовоспроизводиться и передавать наследственные признаки. Поэтому такие наблюдения помогают представить возможные этапы, но не подтверждают единственную конкретную историю происхождения жизни.

Гипотеза мира РНК предлагает объяснение тому, как могли появиться системы, одновременно связанные с информацией и химическими реакциями. Некоторые молекулы РНК способны участвовать в катализе, то есть ускорять определённые реакции, а последовательность их звеньев может нести информацию. Это делает возможным предположение о ранней системе, в которой РНК выполняла обе функции до разделения ролей между ДНК и белками. Гипотеза не описывает все детали перехода к клетке, но предлагает исследуемую модель раннего этапа.

Гипотезы и модели происхождения жизни

Сравнивайте подходы по тому, какой именно вопрос они решают: образование молекул, появление обособленных систем или перенос жизни. Столбец ограничений помогает не принимать частичное объяснение за полную теорию происхождения жизни.

Разбор задач

Задача 1

В опыте Миллера и Юри через смесь газов, моделировавшую предполагаемую атмосферу ранней Земли, пропускали электрические разряды. Нужно определить, какой этап возможного возникновения жизни моделировал опыт. Разряды выступали источником энергии, а газовая смесь — средой для реакций. Следовательно, нужно искать результат химических превращений, а не признаки готового организма.

1. Определяем, что моделировали: воздействие источника энергии на смесь простых веществ.
2. Учитываем результат опыта: образовались некоторые органические соединения.
3. Сопоставляем его с этапами биопоэза: это возможный абиогенный синтез органических веществ до появления клеток.

Ответ: опыт моделировал один из этапов химической эволюции — образование органических веществ из более простых соединений под действием энергии. Он не моделировал появление живых клеток.

Задача 2

В растворе органических веществ обнаружены капли, отделённые от окружающей среды и способные избирательно накапливать некоторые молекулы. Нужно решить, можно ли считать их живыми организмами. Отделённость и накопление веществ напоминают отдельные свойства протоклеточных моделей. Но для вывода о жизни нужно проверить не один признак, а целую систему свойств.

1. Отмечаем сходство с коацерватами: капли имеют границу и могут менять состав за счёт поступления молекул.
2. Проверяем наличие ключевых свойств живого: самостоятельного обмена веществ, наследования информации и воспроизводства с передачей признаков.
3. Из условия известны только обособление и накопление молекул; сведений о полноценном размножении и наследственности нет.

Ответ: считать капли живыми организмами нельзя. Это могут быть протоклеточные модели, но описанные свойства сами по себе не подтверждают наличие всех признаков жизни.

Задача 3

Нужно сопоставить гипотезу мира РНК и панспермию: одна относится к возможным ранним этапам биопоэза, другая переносит место возникновения жизни за пределы Земли. Сначала выясним, что именно предполагает каждая идея. Затем сравним их объяснительные задачи: развитие молекулярных систем или перемещение уже возникшей жизни. Такое различение не позволяет смешать происхождение жизни с её возможным переносом.

1. Гипотеза мира РНК рассматривает возможную раннюю молекулярную систему, в которой РНК хранила информацию и ускоряла реакции.
2. Панспермия предполагает занос жизни или её зачатков из космоса на Землю.
3. Проверяем, объясняет ли панспермия первое появление жизни: она указывает предполагаемое место переноса, но не раскрывает первоначальный механизм возникновения.

Ответ: мир РНК предлагает модель ранних молекулярных этапов возникновения жизни, а панспермия предполагает её перенос из космоса. Панспермия не отвечает на вопрос, как жизнь возникла первоначально.

Типичные ошибки

Опыт Миллера и Юри иногда называют доказательством получения жизни, потому что в нём действительно появились органические соединения. Но молекулы — ещё не клетка и не организм. Проверяйте себя вопросом: что именно обнаружили в опыте? Ответ — некоторые органические вещества, а не живую систему.

Коацерват могут принять за организм из-за его обособленности и способности накапливать молекулы. Эти свойства похожи на отдельные особенности клетки, но не доказывают наличия наследственности и самостоятельного воспроизводства. Чтобы не ошибиться, сопоставляйте модель со всем набором признаков живого, а не с одним внешним сходством.

Биопоэз иногда смешивают с самозарождением организмов в современных условиях. Ошибка возникает, когда не учитывают различия между ранней Землёй и нынешней биосферой, где жизнь происходит от уже существующей жизни. Проверьте себя: речь идёт о предполагаемом возникновении первых систем в прошлом или о появлении организмов сегодня? Биопоэз относится к первому случаю.

Панспермию могут считать полным объяснением происхождения жизни, поскольку она предлагает возможный космический источник. Но перенос не объясняет, как жизнь возникла в том месте, откуда её занесли. Проверка проста: спросите, отвечает ли гипотеза на вопрос о первоначальном появлении живого. Если она говорит только о переносе, ответ отрицательный.

Связь с другими темами

Для понимания темы пригодятся знания о строении клетки и функциях ДНК, РНК и белков. Они позволяют различать хранение наследственной информации, катализ реакций и организацию клеточной среды. Также важно отличать живую природу от неживой, чтобы не принимать отдельное сходство за доказательство жизни.

Тема связана с эволюционным учением и геологической историей Земли. Представления о составе атмосферы, источниках энергии и условиях ранней планеты помогают оценивать, где могли протекать предполагаемые химические реакции. Связь с молекулярной биологией проявится при изучении РНК, а с эволюцией организмов — при рассмотрении усложнения живых систем.

Что запомнить

• Биопоэз — предполагаемый переход от неживых систем к первым живым формам.
• Химическая эволюция описывает образование и усложнение органических веществ до появления жизни.
• Опыт Миллера и Юри показал возможность абиогенного синтеза некоторых органических соединений в смоделированных условиях.
• Протоклеточные модели помогают обсуждать возможные этапы обособления и организации молекул, но не являются живыми клетками.
• Гипотеза мира РНК предполагает раннюю роль РНК в хранении информации и катализе.
• Панспермия предполагает перенос жизни из космоса, но не объясняет её первоначальное возникновение.