Возникновение жизни на Земле

Определения и обозначения

Абиогенез — возникновение живого из неживой материи. В рассуждениях о происхождении жизни так называют предполагаемый переход, который мог происходить на ранней Земле. Это не то же самое, что современное самозарождение организмов: последнее не подтверждается наблюдениями и экспериментами.

Биогенез — происхождение живых организмов от других живых организмов. Его подтверждают наблюдения за размножением и опыты, показывающие, что организмы появляются там, где есть источники живых клеток или их потомства. Понятие помогает описывать появление новых организмов в современных условиях, но само по себе не объясняет происхождение первых форм жизни.

Химическая эволюция — последовательное образование и усложнение органических веществ из неорганических в условиях ранней Земли. Слово «эволюция» здесь означает изменения вещества на протяжении длительного времени, а не сразу появление организмов. Это понятие задаёт возможную последовательность химических этапов до возникновения жизни.

Коацерват — капельное образование из органических молекул в водной среде. Внутри такой капли вещества могли концентрироваться и взаимодействовать, поэтому коацерваты рассматривают как возможных предшественников клеточных структур. Однако у них нет полного набора свойств и структур живой клетки, поэтому коацерват не является организмом.

Как это устроено

Ранняя Земля отличалась от современной: состав её атмосферы, вероятно, был иным, а свободного кислорода было мало. На поверхности существовала вода, в которой могли растворяться и перемещаться различные соединения. Молнии, ультрафиолетовое излучение и тепло вулканических процессов могли служить источниками энергии. В совокупности вода, вещества атмосферы и энергия создавали условия для реакций, которые сегодня часто идут иначе или требуют специальных лабораторных условий.

Простые неорганические соединения могли вступать в реакции и образовывать более сложные молекулы, в том числе органические. Для перестройки химических связей нужна энергия: без неё многие реакции не идут или протекают слишком медленно. Энергия молний, излучения и нагрева могла запускать такие превращения. Затем образовавшиеся молекулы могли накапливаться в водной среде, а некоторые — взаимодействовать друг с другом.

Миллер и Юри собрали установку, в которой циркулировали вода и газы, выбранные для моделирования предполагаемой атмосферы ранней Земли. Электрические разряды имитировали молнии, а нагрев и охлаждение помогали воспроизводить круговорот воды. После опыта исследователи обнаружили некоторые органические вещества, в том числе аминокислоты. Это подтвердило, что органические соединения могут образовываться абиотически при определённых условиях, но не показало появления клетки или жизни.

Если органические молекулы накапливаются в воде, они могут собираться в более крупные объединения. Коацерваты возникают, когда группы таких молекул отделяются от окружающей воды в виде капель; внутри капли вещества могут концентрироваться. Такое разделение среды могло облегчить взаимодействие молекул и стать одним из шагов к появлению сложных систем. Но у коацервата нет клеточной организации во всём её объёме, наследственного аппарата и доказанной способности к самостоятельному размножению, поэтому его нельзя считать живым.

Гипотеза биохимической эволюции связывает химические превращения с постепенным возникновением первых организмов: сначала могли появиться органические молекулы, затем — их сложные объединения, а позднее — системы с признаками клеточной жизни. Эта последовательность помогает представить возможный переход от неживого вещества к живому, но не все её этапы доказаны. Учёные продолжают выяснять, какие условия и реакции могли привести к первым системам наследования и обмена веществ. Поэтому остаются открытыми вопросы о точном составе ранней атмосферы, месте возникновения жизни и механизмах появления первой клетки.

Основные представления о происхождении жизни

Сравнивайте представления по тому, что именно они объясняют и на каких основаниях строятся. Особенно важно отличать проверяемые научные гипотезы от религиозных взглядов и не принимать подтверждение отдельного химического процесса за доказательство всей истории возникновения жизни. Панспермия объясняет возможный перенос, а не первоначальное появление живого.

Разбор задач

Задача 1. Сравните абиогенез и биогенез и объясните, какой подход рассматривает происхождение первых организмов. Чтобы ответить, нужно уточнить, откуда появляется живое в каждом случае и о каком времени идёт речь. Затем сопоставьте определения, не смешивая начало жизни на планете с размножением уже существующих организмов.

1. Абиогенез связывает появление живого с неживым веществом, поэтому применительно к этой теме он рассматривает возможное происхождение первых организмов.
2. Биогенез объясняет появление одних организмов от других живых организмов; он подходит для описания размножения и смены поколений.
3. Сделайте вывод: подходы отвечают на разные вопросы, а биогенез сам по себе не раскрывает происхождение первой жизни.

Ответ: происхождение первых организмов рассматривает абиогенез, а биогенез описывает происхождение организмов от уже существующих живых форм.

Задача 2. Опишите, что моделировали Миллер и Юри, и сформулируйте вывод из опыта. Важно отделить условия эксперимента и полученный результат от более широкого вопроса о возникновении жизни. Необходимо назвать именно то, что удалось обнаружить, а не приписывать опыту доказательство всех этапов гипотезы.

1. Исследователи создали систему с водой и газами, моделировавшими предполагаемые условия ранней Земли.
2. Электрические разряды имитировали молнии и обеспечивали энергию для химических реакций.
3. После опыта обнаружили некоторые органические соединения; это показало возможность их абиотического образования в таких условиях.

Ответ: опыт Миллера и Юри подтвердил возможность синтеза некоторых органических веществ из неорганических. Появление живой клетки или самой жизни он не доказал.

Задача 3. Расположите этапы биохимической эволюции: образование органических молекул, формирование коацерватов, возникновение первых клеток. Укажите, что известно, а что остаётся гипотезой. Для решения восстановите предполагаемое усложнение: сначала появляются молекулы, затем их объединения, а клеточная жизнь требует более сложной организации.

1. Первый этап — образование органических молекул из неорганических веществ. Возможность такого синтеза подтверждают химические эксперименты, включая опыт Миллера и Юри.
2. Далее могли формироваться коацерваты — капли с органическими молекулами. Их рассматривают как возможный этап, но они не являются клетками.
3. Затем могли возникнуть первые клетки. Сам факт существования древнейшей жизни подтверждают научные данные, однако точные механизмы её появления из неживого вещества остаются гипотезой.

Ответ: предполагаемый порядок таков: органические молекулы, коацерваты, первые клетки. Возможность абиотического синтеза отдельных веществ подтверждена экспериментально, а подробный переход от химических систем к клеткам полностью не установлен.

Типичные ошибки

Считать опыт Миллера и Юри доказательством возникновения жизни. Эксперимент подтвердил образование некоторых органических веществ, а не появление клетки. Эту ошибку допускают, когда смешивают один химический этап со всей гипотезой происхождения жизни. Проверьте себя вопросом: обнаружили ли исследователи организм или только молекулы?

Путать абиогенез с современным самозарождением организмов. В теме речь идёт о возможном происхождении первых форм жизни в условиях ранней Земли, а не о появлении нынешних организмов из неживого вещества. Путаница возникает из-за похожего буквального смысла слов. Уточните, говорится ли о далёком прошлом планеты или о наблюдениях в современных условиях.

Считать коацерват живым организмом. Капля из органических молекул может напоминать простейшую обособленную систему, но это не делает её клеткой. Ошибка появляется, если внешнее сходство принимают за наличие всех свойств жизни. Проверьте, есть ли у объекта клеточная организация, наследственный аппарат и способность к самостоятельному размножению.

Принимать панспермию за объяснение первоначального появления жизни. Эта гипотеза предполагает перенос жизни или её зачатков из космоса, но не показывает, как они возникли впервые. Её путают с ответом на вопрос о начале жизни, хотя она касается возможного переноса. Для проверки спросите, объясняет ли гипотеза происхождение самой первой живой системы.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении клетки, отличиях живой и неживой природы, составе атмосферы и свойствах органических веществ. Представления о происхождении жизни связаны с эволюцией, происхождением эукариот и развитием клеточной теории: они помогают проследить усложнение живых систем. Опыты по абиотическому синтезу учат различать проверку отдельной гипотезы и доказательство целого объяснения. Этот навык полезен и при изучении других научных теорий.

Что запомнить

• Биогенез описывает происхождение организмов от других организмов.
• Гипотеза биохимической эволюции связывает возникновение жизни с постепенным усложнением вещества.
• Ранняя Земля предоставляла источники энергии для возможных химических превращений.
• Опыт Миллера и Юри показал возможность абиотического образования некоторых органических веществ.
• Коацерваты рассматривают как возможных предшественников клеток, а не как организмы.
• Панспермия предполагает перенос жизни из космоса, но не объясняет её первоначальное возникновение.