Этапы возникновения жизни по теории опарина: Гипотеза Опарина-Холдейна – основные положения о возникновении жизни на Земле

2. Биохимическая гипотеза возникновения и развития жизни на Земле

В основе современных научных представлений о происхождении жизни лежит гипотеза биохимической эволюции Опарина — Холдейна.

 

  Александр Опарин                   Джон Холдейн

 

Согласно теории биохимической эволюции формирование жизни на Земле шло в три этапа:

• абиогенный синтез органических веществ;
• образование биополимеров;
• формирование мембранных структур и появление самовоспроизведения.

Абиогенный синтез органических веществ

Согласно теории Опарина возникновение жизни на Земле возможно было только в условиях древней атмосферы и отсутствия живых организмов.

 

На первых этапах своего существования наша Земля представляла собой раскалённый шар.

По мере её остывания постепенно формировалась первичная атмосфера, состоящая из аммиака, метана, углекислого газа, цианистого водорода и паров воды. Ни кислорода, ни озона в атмосфере древней Земли не было.

 

При дальнейшем понижении температуры образовался первичный океан. Под действием различных видов энергии (электрические разряды, ядерные реакции, солнечная радиация, извержения вулканов) образовались простые органические соединения: формальдегид, спирты, муравьиная кислота, аминокислоты и т. д. 

 

Окисление образовавшихся веществ не происходило, так как отсутствовал свободный кислород. Синтезированные вещества в течение десятков миллионов лет постепенно накапливались в древнем океане. Их накопление в итоге привело к образованию однородной массы —  «первичного бульона». По мнению Опарина, именно в «первичном бульоне» и возникла жизнь.

 

Этот этап биохимической эволюции был подтверждён экспериментально биохимиками С. Миллером, Дж. Оро и другими учёными.  В экспериментальных установках, моделирующих условия первобытной Земли, ими были получены альдегиды, аминокислоты, простые сахара, пуриновые и пиримидиновые основания, нуклеотиды.

Образование биополимеров

Из простых органических веществ при определённых условиях синтезировались биополимеры. Аминокислоты соединялись в полипептиды, простые сахара превращались в полисахариды, а нуклеотиды — в нуклеиновые кислоты. Карбоновые кислоты, соединяясь со спиртами, могли образовать липиды, которые покрывали поверхность водоёмов жирной плёнкой.

 

Возникшие белки формировали коллоидные комплексы, притягивающие к себе молекулы воды. Так появились коацерваты — сгустки органических веществ, обособленные от остальной массы воды. В коацерваты постоянно поступали органические соединения, в результате чего происходил синтез более сложных веществ. Они могли сливаться и увеличиваться в размерах.

 

 

Слияние коацерватных капель  

 

Образование биополимеров и коацерватов в условиях древней Земли подтверждено экспериментально работами Л. Орджела и С. Акабори. Ими были получены простейшие белки и нуклеотидные цепи.

Формирование мембранных структур и появление самовоспроизведения

Из липидных плёнок на поверхности коацерватов могла сформироваться биологическая мембрана.

  

Объединение коацерватов с нуклеиновыми кислотами привело к образованию примитивных  самовоспроизводящихся живых организмов — пробионтов. Эти первичные организмы были анаэробами и гетеротрофами и питались веществами «первичного бульона».

  

Таким образом, около \(3,5\) млрд лет назад, согласно этой гипотезе, завершилось зарождение жизни на Земле.

 

Источники:

https://ppt-online.org/472066

Этапы возникновения жизни на Земле, теория кратко (таблица)

Теория возникновения жизни на Земле — это теория, которая построена на целом ряде экспериментальных исследований ученых разных стран, в основе которой лежит гипотеза академика ОпаринаА. И. о возникновении жизни на Земле абиогенным путем. В опытах ученых Дж.Холдейна, С.Фокса, С.Миллера, Г.Мёллера удалось воспроизвести физико-химические условия, в которых из неорганических веществ возникали органические, те в свою очередь в образовывавшие подобие коацерватов.

Основные положения теории звучат так:

1)  органические вещества сформировались из неорганических под действием физических факторов среды;

2)  органические вещества взаимодействовали, образуя все более сложные вещества, в результате чего возникли ферменты и самовоспроиз-водящиеся системы — свободные гены;

3)  свободные гены соединялись с другими высокомолекулярными органическими веществами;

4)  вокруг них стали образовываться белково-липидные мембраны;

5)  возникли клетки (подробнее смотрите в таблице ниже).

Таблица этапы возникновения жизни на Земле

Этапы	Описание
Первый этап возникновения жизни на Земле	Согласно гипотезе ОпаринаА. И., это образование органических веществ из неорганических, происходившее в водах первичного океана более 3,5млрд. лет назад. При этом на Землю, которую еще не защищал озоновый экран, свободно проникало ультрафиолетовое излучение; в атмосфере происходили грозовые разряды. В условиях бескислородной среды атмосфера насыщалась альдегидами, спиртами, аминокислотами.
Второй этап возникновения жизни на Земле	Согласно гипотезе ОпаринаА.И., — этап образования из простых органических соединений в водах первичного океана белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот. Разрозненные молекулы соединений концентрировались и формировали коацерваты, действующие как открытые системы, способные к обмену веществ с окружающей средой и к росту.
Третий этап возникновения жизни на Земле	Согласно гипотезе ОпаринаА.И., этап развития жизни, когда коацерваты соединились, укрупнялись, взаимодействовали между собой и с другими веществами, поглощаемыми ими. В результате взаимодействия коацерватов с нуклеиновыми кислотами образовались первые живые существа — пробионты, способные, помимо роста и обмена веществ, к самовоспроизведению. Наступил период органической эволюции, в основе которой лежали изменчивость, наследственность, естественный отбор. В отложениях конца архейской эры (2,7-3,5млрд. лет назад) находят следы предъядерных организмов (синезеленые, хемотрофные и гетеротрофные бактерии). В результате прогрессивных усложнений появились автотрофные растительные организмы, а вместе с ними свободный кислород и органические вещества — продукты фотосинтеза. Организмы, оставшиеся гетеротрофными, дали начало грибами и животным.

_______________

Источник информации:  Биология: Справочник для старшеклассников и поступающих в вузы/ Т.Л.Богданова —М.: 2012.

54.Этапы возникновения жизни на земле в соответствии с теорией Опарина – Холдейна.

Теория Опарина –холдейна выделяет 6 этапов преобразований. 1. Формирование восстановительной атмосферы Земли. 2. Синтез простых органических соединений из газов восстановительной атмосферы. Впервые была доказана возможность абиогенного синтеза органических соединений в системах, имитирующих предположительный состав первичной земной атмосферы. 3. Полимеризация мономеров с образованием цепей белков и нуклеиновых кислот. 4. Образование фазовообособленных систем органических в-в, отделенных от внешней среды мембранами.

При определенных условиях коацерваты проявляли свойства открытых живых систем: избирательно поглощали химические соединения из окружающей среды и включали их в различные химические р-ции.

5. возникновение пробионтов и протоклеток- первичных живых существ, характеризовавшихся установившимися кодовыми отношениями между внутриклеточной ДНК и синтезируемым по ее плану в клетке белком. На данном этапе химический отбор полностью втеснился биологическим отбором. 6. Появление первых одноклеточных гетеротрофных организмов, характеризовавшихся всеми свойствами живого, в том числе способностью к размножению и передаче наследственной информации потомству. Жизнь возникшая на Земле изменила условия, сделавшие возможным ее появление. Реальных признаков жизни еще не обнаружено ни на одной планете солнечной системы и за ее пределами

55. Многообразие царств живой природы.

Существует (и существовало) множество классификаций живой природы, разбивающей все многообразие живых существ на некоторое количество царств. традиционно выделяют от четырех до шести царств, но некоторые специалисты число таких групп доводят до десяти-двадцати. все живое разделяется на два надцарства (иначе империи, или домена) и на восемь царств, выделяемые по принципам строения клеток, биохимических и генетических особенностей.

Надцарство Прокариоты (Procariota) ▲

Одноклеточные организмы, характеризуемые прокариотическим типом строения клетки. Разделяются на два царства, различающиеся по биохимическим и молекулярным параметрам, в различных схемах классификации могут распределяться по разным надцарствам.

Царство Бактерии (Bacteria)

Прокариоты, характеризуемые, помимо прочего, наличием клеточной стенки, имеющей в составе муреин, наличием в составе клеточных мембран липидов, образованных из глицерина и жирных кислот, способностью к фотосинтезу с участием хлорофилла, а также отсутствием в строении генетического материала интронов.

Царство Археи (Archaea)

Прокариоты, характеризуемые, помимо прочего, наличием клеточной стенки, имеющей в составе псевдомуреин, наличием в составе клеточных мембран липидов, образованных из глицерина и терпеноидных спиртов, способностью к фотосинтезу с участием бактериородопсина, наличием в строении генетического материала интронов, а также экстремофилией — способностью выживать при экстремальных условиях.

Надцарство Эукариоты (Eucariota) ▲

Одно- и многоклеточные организмы, характеризуемые эукариотическим типом строением клетки, в различных схемах разделяющиеся на различное количество царств.

Царство Амебозои (Amoebozoa)

Большей частью одноклеточные не имеющие жгутиков гетеротрофные организмы амебоидной формы с пальцевидными псевдоподиями, питающиеся путем захвата частиц пищи и дальнейшего переваривания их внутри клетки.

Царство Опистоконты (Opisthoconta) ▲

Одно- или многоклеточные гетеротрофные организмы, характеризуемые наличием хотя бы на некоторых жизненных этапах единственного жгутика на задней оконечности клетки.

Подцарство Грибы (Fungi)

Одно- или многоклеточные организмы, отличающиеся мицелиальным строением, наличием хитиновой клеточной стенки и питанием путем всасывания питательных веществ поверхностью тела.

Подцарство Хоанозои (Choanozoa)

Одно- или многоклеточные организмы, не имеющие клеточной стенки и питающиеся путем захвата частиц пищи и дальнейшего переваривания их внутри клетки

Подцарство Метазои (Metazoa) или Животные (Animalia)

Многоклеточные организмы, питающиеся путем захвата частиц пищи и дальнейшего переваривания их внутри организма, но снаружи каждой его клетки, обладающие специализированными мышечными и нервными клетками, обеспечивающими двигательную активность и целостность организма, а также проходящие в процессе развития через стадию бластулы.

Царство Архепластидные (Archaeplastida) ▲

Одно- и многоклеточные автотрофные организмы, обладающие двумембранными пластидами, возникшими в результате первичного эндосимбиоза с прокариотами-цианобактериями и содержащими хлорофиллы а и b, а также иногда пигменты синих либо красных оттенков.

Подцарство Багрянковые (Rhodophytes)

Одно- и многоклеточные архепластидные, содержащие в составе хлоропластов хлорофилл а и фикобилины, придающие красный оттенок.

Подцарство Глаукофитовые (Glaukophytes)

Одно- и многоклеточные архепластидные, содержащие хлорофилл в составе цианелл — пластид с исчезнувшими наружными мембранами

Подцарство Растения (Plantae)

Одно- и многоклеточные архепластидные, содержащие в составе хлоропластов хлорофиллы а и b, придающие зеленый оттенок.

Царство Хромальвеоляты (Chromalveolata)

Одно- и многоклеточные, большей частью автотрофные организмы, обладающие трех- или четырехмембранными пластидами, возникшими в результате вторичного эндосимбиоза с багрянками и содержащие хлорофиллы a и c, а также иных цветов пигменты.

Биохимическая эволюция [Абиогенез, Теория Опарина, Возникновение жизни, Зарождение, Происхождение, Появление]

Условия возникновения жизни

По утверждению Дарвина, жизнь может зародиться только в условиях её отсутствия. Вновь образовавшиеся органические ве­щества немедленно уничтожаются гетеротрофными микроорганиз­мами. Именно поэтому в настоящее время невозможно самозарож­дение жизни.

Вторым необходимым условием зарождения жизни на Земле является отсутствие кислорода в первичной атмосфере, так как наличие кислорода привело бы к расщеплению вновь образующихся органических веществ.

Этапы возникновения жизни

Основными этапами биохимической эволюции жизни считаются следующие.

• Образование простых органических веществ в результате химических реакций.
• Образование полимеров типа полипептидов и полинуклео­тидов из мономеров.
• Образование коацерватов путём концентрации высокомолеку­лярных соединений.
• Образование элементарных мембран, окружающих коацерваты.
• Возникновение процесса обмена веществ.
• Возникновение процессов самовоспроизведения на основе матричного синтеза (рис. 59).

Химическая эволюция

Первые органические вещества

Водород, азот, углерод, кислород, которые содержались в первичной атмосфере Земли, вступали в реакции взаимодействия и при этом образовывали такие простые органические соединения, как аммиак, метан, оксиды углерода, сероводород и водяные пары (рис. 56). Свободный кислород, бывший вначале в очень малых количествах, полностью вошёл в состав соединений. Биологические мономеры синтезировались абиогенным путём. В результате охлаждения Земли возникли первичные океаны. За счёт кислорода, который содержался в молекулах воды, про­исходило окисление простых органических веществ и образовались спирты, альдегиды, аминокислоты, и первичный океан все более и более насыщался сложными органическими веществами.

Коацерваты

По мнению А. И. Опарина, белковые молекулы образовывали коллоидные соединения, которые превращались в коацерватные капли (коацерваты — от лат. coacervus — накопленный, собранный — это коллоидные гидрофильные комплексы белков). Коацерваты могли присоединять к себе различные вещества из воды и постепенно стали приобретать различные свойства, в них проис­ходили химические реакции, из них выделялись ненужные вещества. Однако коацерваты ещё не могут быть названы живыми существами.

Первичные клетки (протобионты)

На последующих этапах химической эволюции коацерваты начали расти, в них начало происходить нечто, подобное обмену веществ у живых существ. Предполагается, что коацерваты были окружены мембраной и приобрели способность делиться (рис. 58). Такие коацерваты называются протобионтами или первичными клетками.

Протобионты также ещё не являются законченной формой жизни. Предполагается, что у них постепенно абиогенным путём появлялись соединения, подобные ферментам (коферменты, собственно ферменты), АТФ.

Возникновение клетки (матричный синтез)

В превращении протобионтов в настоящие клетки большую роль сыграло возникновение матричного синтеза в результате взаимного приспособления и слияния функций белков и нуклеиновых кислот.

Матричный синтез — это биологический синтез белковых молекул на основе информации, содержащейся в нуклеиновых кислотах.

С возникновением процесса матричного синтеза химическая эволюция уступила место биологической. Развитие жизни продолжалось теперь путём биологической эволюции.

Экспериментальные доказательства теории

А. И. Опарин первым выдвинул идею экспериментального изучения возникновения жизни. И действительно, С. Миллер (1953) создал опытную модель первичных условий Земли. Воздействуя на нагретый метан, аммиак, водород и водяные пары электрическим разрядом, он осуществил синтез таких аминокислот, как аспарагин, глицин, глутамин (в такой системе газы имитировали атмосферу, электрический разряд — молнии; рис. 57).

Д. Оро, нагревая цианистый водород, аммиак и воду, осуществил синтез аденина. Путём воздействия на метан, аммиак и воду иони­зирующими излучениями были синтезированы рибоза и дезокси­рибоза. Результаты подобных опытов подтвердились многочислен­ными исследованиями. В процессе эволюции мономеры постепенно превращались в биологические полимеры (полипептиды, полинук­леотиды), что также подтвердилось опытным путём. Так, в опытах С. Фокса были синтезированы протеиноиды (белковообразные вещества) путём нагревания смеси аминокислот. Впоследствии в опытах были синтезированы полимеры нуклеотидов.

Соединения, подобные коацерватам, были синтезированы опытным путём и досконально изучены А. И. Опариным и его учениками. Материал с сайта http://wikiwhat.ru

Генетическая гипотеза (РНК мир)

Однако было неизвестно, что в ходе биохимической эволюции жизни возникло прежде: белки или нуклеиновые кислоты. Согласно теории А. И. Опарина, первыми появились молекулы белка. Сторонники генетической гипотезы, наоборот, считали, что сначала возникли нуклеиновые кислоты. Такое предположение было выдвинуто в 1929 г. Г. Миллером. Лабораторные исследования доказали возможность репликации нуклеиновых кислот и без воздействия ферментов. По мнению учёных, первичные рибосомы состояли только из РНК, и свойство синтезировать белок у них могло появиться впоследствии. Позже были получены новые данные, подтверждающие это предположение. Репликация рибонуклеиновой кислоты без участия ферментов, обратная транскрипция, т. е. возможность синтеза ДНК на основе РНК — все это является доказательством генетической гипотезы.

Биологическая эволюция

см. Биологическая эволюция, История жизни на Земле

Картинки (фото, рисунки)

• ru/public/page_images/601/0x65-56.jpg» data-src=»http://wikiwhat.ru/public/page_images/601/56.jpg»>

  Рис. 56. Возникновение жизни на Земле: 1 — первичная атмосфера; 2 — образование органических веществ; 3 — образование коацерватов; 4 — простое брожение; 5 — образование нуклеиновых кислот; 6 — образование фотосинтеза и процессов дыхания

• Рис. 57. Опыт Миллера: 1 — электроды; 2 — образование элект­рического разряда; 3 — вытекание воды; 4 — охлаждающее устройство; 5 — по­ступление воды; 6 — охлаждённая вода, содержащая органические вещества; 7 — сифон; 8 — кипящая вода

• 58. Образование коацерватных капель» data-thumb=»http://wikiwhat.ru/public/page_images/601/0x65-58.jpg» data-src=»http://wikiwhat.ru/public/page_images/601/58.jpg»>

  Рис. 58. Образование коацерватных капель

• Рис. 59. Схема пе­рехода от хими­ческой эволюции к биологической

Вопросы к этой статье:

• Кем была создана теория биохимической эволюции?

• Возможно ли возникновение жизни абиогенным путём в нынешних условиях?

• Перечислите основные этапы химической эволюции жизни.

• Что такое коацерваты?

• Объясните процесс образования коацерватов.

• Укажите свойства коацерватов.

• Как называются первичные клетки?

• Какие данные подтверждают абиогенный синтез — синтез органических веществ из неорганических?

• Определите факты, подтверждающие, что первыми образовались нуклеиновые кислоты.

• Когда началась биологическая эволюция жизни?

Теория происхождения жизни на Земле А. И. Опарина

Теория происхождения жизни на Зем­ле, предложенная в 1924 г. выдающимся российским учёным, впоследствии академиком А. И. Опариным (1894— 1980; рис. 78) получила широкую извест­ность.

Первый этап, согласно этой теории, состоял в образовании органи­ческих веществ из неорганических. Реальность этого этапа экспери­ментально подтвердили американские учёные С. Миллер (1930—2007) и Г. Юри (1893—1981) в 1953 г. Воздействуя электрическими заря­дами на вещества, характерные для ранней атмосферы Земли, они по­лучили целую смесь из нескольких десятков органических соедине­ний — органических кислот (в том числе аминокислот), азотистых оснований, углеводов и др. Ещё активней стимулировало синтез орга­нических веществ из неорганических ультрафиолетовое излучение. В результате Мировой океан ранней Земли стал представлять собой «первичный бульон», т. е. раствор органических веществ в воде. Одна­ко сами эти вещества — ещё не жизнь. Её химическую основу, напом­ним, составляют биополимеры — белки, нуклеиновые кислоты, поли­сахариды и их производные, которые слагаются из аминокислот, ну­клеотидов и моносахаридов. Для того чтобы возникли биополимеры, необходимы процессы, идущие с затратой энергии (например, при участии АТФ), а также ДНК, РНК и ферменты, которые сами являют­ся продуктами такого процесса.

Рис. 78. Александр Иванович Опарин

Рис. 79. Две руки: а — правая; б — левая

Второй этап, по теории Опарина, — это этап возникновения жизни. Так, он показал, что в растворах органических соединений образуются коацерваты — маленькие капельки, ограниченные полупроницаемой оболочкой — первичной мембраной. В коацерватах могут концентри­роваться органические вещества, в них быстрее идут реакции и обмен веществ с окружающей средой. Они способны даже делиться, как бак­терии. Экспериментально это предположение Опарина было подтверж­дено американским исследователем С. Фоксом (1912—1998), который назвал эти капельки микросферами. Материал с сайта http://doklad-referat.ru

Третий этап, по мнению Опарина, состоял в том, что в коацерватах мог сформироваться первичный ген, несущий информацию о первом белке. Вероятно, таким капелькам-коацерватам были присущи свой­ства наследственности и даже естественного отбора, потому что выжи­вали более приспособленные и усовершенствованные из них. В резуль­тате такого отбора жизнь на Земле выбрала асимметрические органические молекулы аминокислот и сахаров. Такие молекулы называют также хиральными. Они похожи друг на друга, как правая рука чело­века на левую (рис. 79), т. е. являются зер­кальными отражениями друг друга. Их так и назвали — правыми и левыми. Аминокисло­ты, из которых состоят белки земных орга­низмов, всегда левые, а углеводы (рибоза и дезоксирибоза), входящие в состав нуклеиновых кислот, всегда правые. Экспериментально доказано, что коацерваты-микросферы из асимме­тричных биополимеров росли быстрее симметричных и вытесняли их. Однако, как подчеркнул А. Эйнштейн, то, что аминокислоты у нас ле­вые, а углеводы правые, можно объяснить простой случайностью.

Нетрудно заметить, что предположение о первых этапах возникно­вения жизни на Земле, по теории Опарина, доказано эксперименталь­но, а вот последний этап носит гипотетический характер. На заключи­тельном этапе возник биосинтез белка — процесс, который характерен даже для самых примитивных микроорганизмов. Механизм его не ме­нялся за всю историю Земли.

На этой странице материал по темам:

• О докладе опарина о возникновении жизни на земле кратко

• Происхождение жизни на земле лекция по биологии

• Гипотеза опарина александра ивановича кратко

• Сообщение про теорию опарина

• Буонаротти

Вопросы по этому материалу:

• Назовите основные положения теории происхождения жизни на Земле А. И. Опа­рина.

• Что такое коацерваты?

• Какую роль асимметрия играет в организации живой мате­рии?

• Как организованы белки и полисахариды с точки зрения асимме­трии и почему именно так?

Урок биологии по теме «Современная теория возникновения жизни на Земле — гипотеза А.И. Опарина — Дж.Холдейна»

«Современная теория возникновения жизни на земле – гипотеза А.И. Опарина – Дж. Холдейна»

Тип урока: урок формирования и совершенствования знаний.

Вид урока: урок взаимного обучения.

Цель: изучить основные аспекты современной теории возникновения жизни на Земле — гипотезы А.И.Опарина- Дж. Холдейна.

Задачи:

1. Сформировать у учащихся систему знаний об условиях и этапах возникновения жизни на Земле в ходе биохимической эволюции.
2. Совершенствовать у школьников умение сравнивать и анализировать различные гипотезы, правильно определять их по сущностным характеристикам
3. Пробудить у учащихся интерес и позитивное отношение к биологической науке и поиску всеобъемлющей теории по проблеме возникновения жизни на Земле.
4. Убедить учащихся в неповторимости жизни как способа существования.

Ведущие понятия: химическая эволюция, абиогенный синтез, коацерваты, биопоэз.

Межпредметные связи: с астрономией — концепция О.Ю. Шмидта; с геологией -формирование и развитие нашей планеты; с историей — развития представлений о возникновении жизни на Земле с древности до наших дней; с химией – формирование органических веществ; с экологией — отработка смежных терминов (автотрофы, гетеротрофы, прокариоты, эукариоты, аэробы, анаэробы и т.д.).

1-й этап. Организационная часть.

2-й этап. Вводная беседа.

Учитель: На прошлом уроке мы познакомились с большим количеством гипотез, теорий и концепций о происхождении жизни на Земле. Каждый из вас готовил доклад по изучаемой теме. Работы были очень интересные. Давайте еще раз проследим и вспомним, как развивались представления по изучаемой проблеме.

3-й этап. Повторение пройденного материала (опрос).

— Индивидуальный опрос: работа с карточками у доски.

Карточка №1.

Как долго существовали представления о самозарождении организмов. В чем заслуга Франческо Реди в этом вопросе?

Карточка №2.

В 1859 году Парижская академия наук учредила премию за попытку осветить по-новому вопрос о зарождении жизни на Земле. Кто и когда получил эту премию? В чем была его заслуга?

Фронтальный опрос:

1. Все многообразие гипотез сводится к двум взаимоисключающим точкам зрения. Каким? Назовите их. Ответ: Биогенез-«живое из живого». Абиогенез-« живое из неживого».

2. Кроме того, основные идеи, объясняющие происхождение жизни на Земле можно классифицировать по пяти направлениям. Каким? Учитель рекомендует обратиться к Приложению 1.

3. Назовите основные идеи. Объясняющие происхождение жизни на Земле?

Ответ:

1. Метафизическая (жизнь создана Богом).
2. Теория панспермии (жизнь занесена из космоса).
3. Теория самозарождения.
4. Биохимическая гипотеза А.И. Опарина.
5. Гипотеза геологической вечности жизни.

Учителем доводятся статистические данные по опросу учеников старших классов. Из 87 опрошенных учеников считают, что жизнь создана Богом-42 человека; В теорию панспермии верят-28; жизнь самозародилась-5 чел; В теорию А.И. Опарина-12 чел; В теорию биогенеза — никто не верит.

Учитель: Почти половина опрошенных учеников верят в христианскую религию, которая всегда была символом доброты и милосердия. А раз молодые люди верят в доброе будущее, то все в нашем государстве будет хорошо.

4. Каковы были взгляды на происхождение жизни в древности? Ответ: в древнем мире была распространена идея самозарождения. Аристотель: черви появляются из гниющего мяса под влиянием «жизненной силы». Древнеримский философ Тит Лукреций Кар в I веке до нашей эры в произведении «О природе вещей» писал:

«Видеть бывает легко.
Как из кучи зловонной навоза,
Черви живые ползут, зарождаясь…».

5. Расскажите о гомункулюсе? Ответ: Средневековый алхимик Парацельс в 16 веке предложил рецепт создания маленького живого человека. Он рекомендовал выдержать разлагающуюся мочу определенное время в тыкве, а затем поместить ее в лошадиный желудок, где и будет развиваться гомункулюс. В поэтической форме эти идеи отражены в гениальном произведении И.В. Гете «Фауст»

6. Какова заслуга М.М. Тереховского? Ответ: Мартын Матвеевич в 1775 году запаял сосуд с бульоном и прокипятил его. Бульон хранился очень долго, но микроорганизмы в нем не появились.

7. Отвечает ученик у доски. Карточка №1.Ответ: Представления сохранялись до 19 века. Но в 17-18 веках ученные пытались с помощью опытов доказать невозможность самозарождения жизни. В 17 веке Франческо Реди проделал опыты: (Рис. № 1.)

1. Сырое мясо в закрытом горшке.
2. Сырое мясо в четырех сосудах было открыто, в 4х-прикрыто кисеёй. Кисея (ударение на букву «я»)- это легкая полупрозрачная хлопчатобумажная ткань. Результат: в открытых сосудах завелись личинки мясной мухи, а в закрытых самозарождения не произошло.

Рисунок №1.

8. Как вопросы происхождения жизни были связаны с семьей Ч. Дарвина? Ответ: самозарождение допускал и Эразм Дарвин (дед Ч.Дарвина ), спор разгорелся в 1859 году после выхода в свет трактата медика Пуше о самозарождении организмов. В том же году вышла книга «Происхождение видов» Ч. Дарвина и возник вопрос «Как возникла жизнь на Земле?»

9. Отвечает ученик у доски Карточка №2. Ответ: Премия была учреждена за попытку осветить по-новому вопрос о зарождении жизни на Земле. Премию получил в 1862 году Луи Пастер. Опыт Пастера: в сосуде с S- образным горлышком бульон хранился долгое время и оставался стерильным, так как микроорганизмы оседали на стенках изогнутой трубки и в бульон не попадали. Однако стоило обмыть изгиб трубки бульоном, как начиналось гниение, вызванное микроорганизмами. Л.Пастер доказал невозможность самопроизвольного зарождения жизни. (Рис.№2.)[1].

Рисунок №2.

10. Что такое пастеризация? Почему так назван этот процесс? Ответ: Это способ уничтожения микробов в жидкостях и пищевых продуктах однократным нагреванием до температуры обычно 60-70 ° C с различной выдержкой от 15 до 30 минут. Такое название связано с именем учёного, сделавшего это открытие. Луи Пастер.

11. Что вам известно о гипотезе вечности жизни? Ответ: Шведский ученый Сванте Август Аррениус и Владимир Иванович Вернадский считали, что жизнь и ее зачатки занесены из космоса. Она называется теорией панспермии. Основатель немецкий химик Юстус Либих предполагал, что простейшие организмы или споры переносятся с планеты на планету метеоритами.

Учитель: И вновь возникает вопрос: «Если жизнь возникла не на Земле, то, как она возникла вне Земли?»

«Современная теория возникновения жизни на земле – гипотеза А.И. Опарина – Джона Бернала».

«Жизнь – это вечное познание. Бери свой посох и иди».

Слова эпиграфа каждый из вас понимает по-своему. И в конце урока нужно будет ответить на вопрос: «Почему именно это слова взяты эпиграфом?»

Учитель: Сегодня мы должны с вами выяснить, в чем же сущность теории А.И.Опарина- Дж. Бернала. Мы познакомимся со следующими терминами и заслугами ученых, внесшими вклад в развитие представлений о зарождении жизни на Земле. (Рис. №3).

Рисунок №3

Прежде, чем говорить о возникновении жизни на Земле, давайте вспомним о происхождении нашей планеты.

Задание! Выйти к доске и, используя наглядный материал, рассказать о концепции Отто Юльевича Шмидта.

(У доски отвечает ученик)

Аудитория может обратиться к Приложению 2, и рисункам №4, №5; «Большой взрыв», «Рождение Земли», «Как возникла жизнь на Земле».

Рисунок №4

Рисунок №5

(Ученик рассказывает о концепции О.Ю. Шмидта)

В соответствии с концепцией О.Ю. Шмидта более 5 млрд. лет назад в результате Большого взрыва из газово-пылевого облака образовалось Солнце. Из оставшейся части облака, вращающегося вокруг Солнца, формировались планеты Солнечной системы, в том числе и Земля.

Первоначально Земля была холодной, но благодаря распаду радиоактивных элементов она разогрелась, температура в ее недрах достигла выше 1000° C. В результате твердые породы начали плавиться и распределяться определенным образом: в центре – самые тяжелые. А на поверхности — самые легкие. Под влиянием высокой температуры вещества вступали в химические реакции.

Атмосфера Земли в то время была бескислородной. В ее состав входили азот, водяной пар, углекислый газ, сероводород, аммиак, метан и др. Свободный кислород, который выделялся из мантии, быстро расходовался на процессы окисления.

Затем наступил период охлаждения планеты. Температура на поверхности Земли снизилась до 100° C. Началась конденсация водяного пара в атмосфере, пошли проливные дожди, продолжавшиеся тысячелетия. Горячая вода заполняла впадины земной поверхности.

Учитель: Итак, мы имеем воды первичного океана на древней Земле.

А что же дальше?

Эту концепцию развили или углубили в своих работах в 1924 году А.И. Опарин, в 1929 году английский биолог Дж. Холдейн и в 1947 году английский физик Джон Бернал.

Процесс формирования первых органических соединений на Земле называют химической эволюцией.

(Обратимся к рис. №6 и №7).[5].Это основные таблицы, с которыми мы будем работать на уроке).

Рисунок №6

Рисунок №7

Учитель: Вопрос №1. Этапы химической эволюции (на доске).

Сегодня на уроке мне будет помогать творческая группа из двух учеников.

Первый ученик: рассказывает об абиогенном синтезе. (Обратиться к рис. № 5 и Приложению 3).

Небиологический, или абиогенный (от греческого «а» — отрицательная частица, «БИОС»- жизнь, «генезис»- происхождение). На этом этапе в атмосфере Земли и в водах первичного океана, насыщенных разнообразными неорганическими веществами, в условиях интенсивного солнечного излучения происходили химические реакции. В ходе этих реакций из неорганических веществ могли сформироваться простые органические вещества- аминокислоты, простые углеводы, спирты, жирные кислоты, азотистые основания.

Учитель: Можно ли было проверить каким – либо образом эти предположения?

Второй ученик: рассказывает об опыте Миллера. (Обратимся к рис..№8).[1].

Рисунок №8

Возможность синтеза органических веществ из неорганических в водах первичного океана подтвердилась в опытах американского ученого С.Миллера и отечественных ученых А.Г. Пасынского и Т.Е.Павловской.

Миллер сконструировал установку, в которую помещалась смесь газов: метана, аммиака, водорода, паров воды. Эти газы могли входить в состав первичной атмосферы. В другой части аппарата находилась вода, которая доводилась до кипения. Газы и водяной пар, циркулировавшие в аппарате под высоким давлением, в течение недели подвергались воздействию электрических разрядов. В результате в смеси образовалось около 150 аминокислот, часть из которых входит в состав белков.

Учитель:

Итак:

1-й этап – абиогенный синтез низкомолекулярных органических веществ (биомономеров) из неорганических веществ. (Показать на рис. №6 и № 7).

2-й этап – образование биополимеров, (показать на рис. №6) – полинуклеотидов, белково-липидных систем и др.

3-й этап— появление коацерватов (пробионтов).

Учитель: рассказ о коацерватах. (Приложение 4, Приложение 5): от латинского «коацервус»- сгусток, куча. Молекулы белков, обладающие амфотерностью, при определенных условиях могут самопроизвольно концентрироваться и образовывать коллоидные комплексы, которые получили название коацерватов. Коацерватные капли образуются при смешивании двух разных белков. Раствор одного белка в воде прозрачен. При смешивании разных белков раствор мутнеет, под микроскопом в нем заметны плавающие в воде капли. Такие капли коацерватов могли возникнуть в водах первичного океана, где находились разнообразные белки.

Определение: коацерваты — это фазообособленные системы органических веществ. (пробионты, праорганизмы). (Показать на рисунке. Приложение 5).

Коацерватные капли могут служить моделями первичных предбиологических систем – пробионтов.

4-й этап – возникновение молекул нуклеиновых кислот, способных к самовоспроизведению.

5-й этап. Поэтапное повторение – закрепление.

Вопросы

1. Дать определение: химическая эволюция (это процесс формирования органических соединений на Земле).

2. Назовите этапы химической эволюции.

• абиогенный синтез биомономеров;
• синтез биополимеров;
• появление коацерватов;
• возникновение молекул нуклеиновых кислот, способных к самовоспроизведению.

3. Кто экспериментально подтвердил абиогенный синтез? (С. Миллер, А.Г. Пасынский, Т.Е. Павловская).

4. Что такое коацерваты?

(Это фазообособленные системы органических веществ).

Учитель: Однако процессы химической эволюции не объясняют. Как возникли живые организмы.

Процессы, которые привели к переходу от неживого к живому Дж. Бернал назвал биопоэзом.

Определение: Биопоэз – это переход от неживого к живому.

Этапы биопоэза должны были привести к появлению первых живых организмов.

Основные этапы биопоэза:

1. возникновение мембран у коацерватов,
2. возникновение способности к самовоспроизведению,
3. возникновение метаболизма,
4. возникновение фотосинтеза,
5. возникновение кислородного дыхания. (показать на таблице).

Задание: ученики работают парами. На каждый стол учитель выдает перечень вопросов на бумажном носителе. Каждая мини группа отвечает на вопросы. Ответ нужно найти в тексте учебника.

1. Каким образом образовались клеточные мембраны у коацерватов. Что в этом положительного? (Путем выстраивания молекул липидов на поверхности коацерватов. Это обеспечивало стабильность их формы)
2. Прочему стало возможна способность к самовоспроизведению у коацерватов? (Благодаря включению в состав коацерватов молекул нуклеиновых кислот)
3. Какой способ питания был у первых существ? Почему? (Способ питания – гетеротрофный, так как в водах первичного океана было много готовых органических веществ)
4. С чем была связана необходимость появления автотрофных организмов? (Численность живых организмов увеличивалась и конкуренция обострялась. У некоторых организмов возникла способность к синтезу органических веществ из неорганических. С использованием энергии солнца (фотосинтез) или энергии химической реакции, (хемосинтез) возникли автотрофы)
5. Почему первые живые организмы были анаэробными? (Вероятно, в водной среде еще отсутствовал кислород)
6. Почему возникло аэробное дыхание? (Аэробное дыхание возникло потому, что появление фотосинтеза привело к накоплению в атмосфере кислорода)
7. Почему стал возможен выход организмов из воды на сушу? (Первоначально жизнь развивалась в водах океана, так как ультрафиолетовое излучение губительно влияло на них. А появление озонового слоя в результате накопления кислорода в атмосфере создало предпосылки выхода на сушу)

Этап проверки последнего задания с расширенными пояснениями

Учитель! Исходя из всего сказанного, мы должны сделать вывод.

Наиболее распространенной гипотезой происхождения жизни на Земле является гипотеза Опарина – Бернала.

Жизнь возникла естественным путем из неорганической материи. Биологической эволюции предшествовала химическая.

Опровержение (противники теории).

Учитель. Я ни в коей мере не хочу перечеркнуть все выше сказанное, но у этой теории тоже есть противники.

Один из них Фред Хойл – астроном. Недавно он высказал мнение, что мысль о возникновении живого в результате описанных выше случайных взаимодействий молекул «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может, привести к сборке «Боинга-747»».

Самое трудное для гипотезы Опарина – Бернала объяснить появление способности живых систем к самовоспроизведению. Гипотезы по этому вопросу пока малоубедительны. Подробности перехода от сложных неживых веществ к простым организмам покрыты тайной.

Этот вопрос является «белым пятном» в биологической науке.

Учитель: Ребята! Ответьте. Пожалуйста, на вопрос. поставленный в начале урока. Почему эпиграфом являются именно те слова, которые написаны на доске?

Ученик: Наверное, потому,что у каждого из нас своя дорога в жизни

Учитель: Да. Конечно! У каждого из вас своя дорога в жизни. Все они будут разные. И может быть кто-то из вас станет ученым – биологом и разрешит проблему, которую мы старались решить на этом уроке. Хочется дать вам напутствие и выразиться словами матери Терезы. Мать Тереза (Агнесс Гонджа Бояджиу, родилась в г. Скопье, современная Югославия, годы жизни1910-1997 г.г.) – это женщина, которая неустанно занималась благотворительностью. Католическая монахиня, известная всему миру миссионерской деятельностью, в 1979 году была удостоена Нобелевской премией. Это имя уже стало именем нарицательным. Но мир помнит о ней.

«Жизнь – возможность, используйте ее,
Жизнь – красота, восхищайтесь ею,
Жизнь – мечта, осуществите ее,
Жизнь – игра, сыграйте ее».

Итог урока: Из всего сказанного сегодня можно сделать вывод.

Наиболее распространенной гипотезой А.И. Опарина – Дж. Бернала, в соответствии с которой жизнь на земле возникла естественным путем из неорганической материи, Биологической эволюции предшествовала химическая эволюция, которая включала ряд этапов.

Переход от неживого к живому – биопоэз.

Учитель: Cпасибо всем.Активно работали:( перечислить). Мало отвечали (перечислить).

Выставлено: 9 -«5», 12-«4», 3-«3».

Список литературы:

1. Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мягкова А.Н.. «Общая биология». Учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений. Под реакцией Г.М. Дымшица. Москва: Просвещение, 2001 год.
2. Беляев Д.К. «Общая биология». Учебник для 10-11 классов общеобразовательных учреждений. Под ред.Дымшица.- Москва, Просвещение, 2001 год.
3. Мягкова А.Н., Комиссаров Б.Д. «Методика обучения общей биологии». Пособие для учителей. Москва: Просвещение, 1973 год.
4. Кулев А.В. «Общая биология» 10 класс, методическое пособие. Санкт-Петербург: Паритет, 2001 год.
5. Опарин АИ. «Происхождение жизни». Москва: Молодая гвардия, 1954г.
6. Мэтьюс Руперт «Как начиналась жизнь». Из серии книг «Что было до нашей эры». Волгоград: «Книга», 1992 год.

Происхождение жизни

☰

Происхождении жизни на Земле является ключевой и нерешенной проблемой естествознания, нередко служащей почвой для столкновения науки и религии. Если наличие в природе эволюции живой материи можно считать доказанным, так как были вскрыты ее механизмы, археологами обнаружены древние более просто устроенные организмы, то ни одна гипотеза возникновения жизни не имеет такой обширной доказательной базы. Эволюцию мы можем наблюдать воочию хотя бы в селекции. Создать же живое из неживого никому не удавалось.

Несмотря на большое количество гипотез о происхождении жизни, лишь одна из них имеет приемлемое научное объяснение. Это гипотеза абиогенеза — длительной химической эволюции, которая протекала в особых условиях древней Земли и предшествовала биологической эволюции. При этом из неорганических веществ сначала были синтезированы простые органические, из них более сложные, далее появились биополимеры, следующие этапы более умозрительны и малодоказуемы. Гипотеза абиогенеза имеет много нерешенных проблем, различных взглядов на определенные этапы химической эволюции. Однако некоторые ее моменты были подтверждены опытным путем.

Другие гипотезы происхождения жизни — панспермия (занесение жизни из космоса), креационизм (сотворение творцом), самопроизвольное зарождение (в неживой материи вдруг появляются живые организмы), стационарное состояние (жизнь существовала всегда). Невозможность самозарождения жизни в неживом была доказано Луи Пастером (XIX в.) и рядом ученых до него, но не так безапелляционно (Ф. Реди — XVII в.). Гипотеза панспермии не решает проблему возникновения жизни, а переносит ее с Земли в космическое пространство или на другие планеты. Однако и опровергнуть эту гипотезу сложно, особенно тех ее представителей, которые утверждают, что жизнь была занесена на Землю не метеоритами (в этом случае живое могло сгореть в слоях атмосферы, подвергнуться разрушительному действию космической радиации и т. д.), а разумными существами. Только вот как они долетели до Земли? С точки зрения физики (огромных размеров Вселенной и невозможности преодолеть скорость света) это вряд ли возможно.

Впервые возможный абиогенез был обоснован А.И. Опариным (1923-1924 г.), позже данную гипотезу разрабатывал Дж. Холдейн (1928 г). Однако мысль, что жизни на Земле могло предшествовать абиогенное образование органических соединений, высказывал еще Дарвин. Теория абиогенеза была доработана и дорабатывается другими учеными и по сей день. Главная ее нерешенная проблема — это подробности перехода от сложных неживых систем к простым живым организмам.

В 1947 г. Дж. Бернал, на основе разработок Опарина и Холдейна, сформулировал теорию биопоэза, выделив в абиогенезе три стадии: 1) абиогенное возникновение биологических мономеров; 2) образование биополимеров; 3) образование мембран и формирование первичных организмов (протобионтов).

Абиогенез

Ниже в общих чертах описан предположительный сценарий происхождения жизни согласно теории абиогенеза.

Возраст Земли составляет около 4,5 млрд. лет. Жидкая вода на планете, так необходимая для жизни, по оценкам ученых появилась не ранее 4 млрд. лет назад. При этом 3,5 млрд. лет назад жизнь на Земле уже существовала, что доказано обнаружением пород таких возрастов со следами жизнедеятельности микроорганизмов. Таким образом, первые простейшие организмы возникли относительно быстро — менее чем за 500 млн. лет.

Порода со следами деятельности древних простейших

Когда Земля только образовалась, ее температура могла достигать 8000 °C. При остывании планеты металлы и углерод как наиболее тяжелые элементы конденсировались и образовывали земную кору. В то же время происходила вулканическая активность, кора двигалась и сжималась, на ней образовывались складки и разрывы. Гравитационные силы приводили к уплотнению коры, при этом выделялась энергия в виде тепла.

Легкие газы (водород, гелий, азот, кислород и др.) не удерживались планетой и уходили в космос. Но в составе других веществ эти элементы оставались. До тех пор, пока температура на Земле не упала ниже 100 °C, вся вода находилась в парообразном состоянии. После снижения температуры испарение и конденсация повторялись множество раз, шли сильные ливни с грозами. Горячая лава и вулканический пепел, оказавшись в воде, создавали разные условия среды. В каких-то могли протекать определенные реакции.

Таким образом, физические и химические условия на ранней Земле были благоприятны для образования органических веществ их неорганических. Атмосфера была восстановительного типа, свободного кислорода и озонового слоя в ней не было. Поэтому на Землю проникали ультрафиолетовое и космическое излучение. Другими источниками энергии были теплота земной коры, которая еще не остыла, извергающиеся вулканы, грозы, радиоактивный распад.

В атмосфере присутсвовали метан, оксиды углерода, аммиак, сероводород, цианистые соединения, а также пары воды. Из них синтезировались ряд простейших органических веществ. Далее могли образовываться аминокислоты, сахара, азотистые основания, нуклеотиды и другие более сложные органические соединения. Многие из них послужили мономерами для будущих биологических полимеров. Отсутствие в атмосфере свободного кислорода благоприятствовало протеканию реакций.

Химическими опытами (впервые в 1953 г. С. Миллер и Г. Юри), моделирующих условия древней Земли, была доказана возможность абиогенного синтеза органических веществ из неорганических. При пропускании электрических разрядов через газовую смесь, имитировавшую первобытную атмосферу, в присутсвии паров воды были получены аминокислоты, органические кислоты, азотистые основания, АТФ и др.

Следует отметить, что в древней атмосфере Земли простейшие органические вещества могли образовываться не только абиогенно. Они также заносились из космоса, содержались в вулканической пыли. Причем это могли быть достаточно большие количества органики.

Низкомолекулярные органические соединения накапливались в океане, создавая так называемый первичный бульон. Вещества адсорбировались на поверхности глинистых отложений, что повышало их концентрацию.

В определенных условиях древней Земли (например на глине, склонах остывающих вулканов) могла происходить полимеризация мономеров. Так образовались белки и нуклеиновые кислоты — биополимеры, ставшие в последствии химической основой жизни. В водной среде полимеризация маловероятна, так как в воде обычно происходит деполимеризация. Опытом была доказана возможность синтеза полипептида из аминокислот, соприкасающихся с кусками горячей лавы.

Далее биополимеры могли смываться дождями в первичный бульон. Это предохраняло их от разрушения под действием ультрафиолетового излучения (озонового слоя еще не было).

Следующий важный шаг на пути происхождения жизни – образование в воде коацерватных капель (коацерватов) из полипептидов, полинуклеотидов, других органических соединений. Подобные комплексы снаружи могли иметь слой, имитировавший мембрану и сохраняющий их стабильность. Опытным путем в коллоидных растворах были получены коацерваты.

Белковые молекулы амфотерны. Они притягивают к себе молекулы воды так, что вокруг них образуется оболочка. Получаются коллоидные гидрофильные комплексы, обособленные от водной массы. В результате в воде образуется эмульсия. Далее коллоиды сливаются между собой и образуются коацерваты (процесс называется коацервацией). Коллоидный состав коацервата зависел от состава среды, в которой он образовывался. В разных водоемах древней Земли образовывались разные по химическому составу коацерваты. Какие-то из них были более устойчивыми и могли в определенной степени осуществлять избирательный обмен веществ с окружающей средой. Происходил своего рода биохимический естественный отбор.

Коацерваты способны избирательно поглощать из окружающей среды некоторые вещества и выделять в нее некоторые продукты протекающих в них химических реакций. Это напоминает обмен веществ. По мере накопления веществ коацерваты росли, а при достижении критических размеров распадались на части, каждая из которых сохраняла черты исходной организации.

В самих коацерватах могли происходить химические реакции. При поглощении коацерватами ионов металлов могли образовываться ферменты.

В процессе эволюции остались лишь такие системы, которые были способны к саморегуляции и самовоспроизведению. Это знаменовало наступление следующего этапа происхождения жизни – возникновение протобионтов (по некоторым источникам это то же самое, что коацерваты) — тел, имеющие сложный химический состав и ряд свойств живых существ. Протобионты можно рассматривать как наиболее устойчивые и удачно получившиеся коацерваты.

Мембрана могла образоваться следующим образом. Жирные кислоты соединялись со спиртами и образовывали липиды. Липиды формировали пленки на поверхности водоемов. Их заряженные головки обращены в воду, а неполярные концы — наружу. Плавающие в воде белковые молекулы притягивались к головкам липидов, в результате чего образовывались двойные липопротеиновые пленки. От ветра такая пленка могла изгибаться, и образовывались пузырьки. В эти пузырьки могли быть случайно захвачены коацерваты. Когда такие комплексы снова оказывались на поверхности воды, то покрывались уже вторым липопротеиновым слоем (за счет гидрофобных взаимодействий, обращенных друг к другу неполярных концов липидов). Общая схема мембраны сегодняшних живых организмов представляет собой два слоя липидов внутри и два слоя белков, расположенных по краям. Но за миллионы лет эволюции произошло усложнение мембраны за счет включения белков, погруженных в липидный слой и пронизывающих его, выпячивание и впячивание отдельных участков мембраны и др.

В коацерваты (или протобионты) могли попадать уже существующие молекулы нуклеиновых кислот, способные к самовоспроизведению. Далее в некоторых протобионтах могла произойти такая перестройка, что нуклеиновая кислота стала кодировать белок.

Эволюция протобионтов — это уже не химическая, а предбиологическая эволюция. Она привела к усовершенствованию каталитической функции белков (они стали выполнять роль ферментов), мембран и их избирательной проницаемости (что делает протобионт устойчивым набором полимеров), возникновению матричного синтеза (переноса информации с нуклеиновой кислоты на нуклеиновую кислоту и с нуклеиновой кислоты на белок).

Этапы происхождения и эволюции жизни

Эволюция	Результаты
Химическая эволюция — синтез соединений	Простые органические вещества Биополимеры
Предбиологическая эволюция – химический отбор: остаются наиболее устойчивые, способные к самовоспроизведению протобионты	Коацерваты и протобионты Ферментативный катализ Матричный синтез Мембрана
Биологическая эволюция – биологический отбор: борьба за существование, выживание наиболее приспособленных к условиям окружающей среды	Приспособленность организмов к конкретным условиям среды Разнообразие живых организмов

Одной из самых больших загадок происхождения жизни остается вопрос: как РНК стала кодировать аминокислотную последовательность белков. В вопросе фигурирует РНК, а не ДНК, так как считается, что сначала рибонуклеиновая кислота играла не только роль в реализации наследственной информации, но и отвечала за ее хранение. ДНК ее заменила позже, возникнув из РНК путем обратной транскрипции. ДНК лучше подходит для хранения информации и более устойчива (менее склонна к реакциям). Поэтому в процессе эволюции именно она была оставлена в качестве хранителя информации.

В 1982 г. Т. Чеком была открыта каталитическая активность РНК. Кроме того РНК могут синтезироваться в определенных условиях даже при отсутствии ферментов, а также образовывать свои копии. Поэтому можно предположить, что РНК были первыми биополимерами (гипотеза РНК-мира). Какие-то участки РНК случайно могли кодировать полезные для протобионта пептиды, остальные участки РНК в процессе эволюции стали вырезаемыми интронами.

В протобионтах возникла обратная связь — РНК кодирует белки-фермены, белки-ферменты увеличивают количество нуклеиновых кислот.

Начало биологической эволюции

Химическая эволюция и эволюция протобионтов длилась более 1 млрд. лет. Жизнь возникла, и началась ее биологическая эволюция.

От некоторых протобионтов произошли примитивные клетки, включающие всю совокупность наблюдаемых нами сегодня свойств живого. В них было реализовано хранение и передача наследственной информации, ее использование для создания структур и обмена веществ. Энергия для процессов жизнедеятельности обеспечивалась молекулами АТФ, появились типичные для клеток мембраны.

Первые организмы были анаэробные гетеротрофы. Энергию, запасаемую в АТФ, они получали с помощью брожения. Пример — гликолиз — бескислородное расщепление сахаров. Питались эти организмы за счет органических веществ первичного бульона.

Но запасы органических молекул постепенно истощались, так как условия на Земле менялись, и новая органика уже почти не синтезировалась абиогенным путем. В условиях конкуренции за пищевые ресурсы эволюция гетеротрофов ускорилась.

Преимущество получили бактерии, оказавшиеся способными фиксировать углекислый газ с образованием органических веществ. Автотрофный синтез питательных веществ более сложный, чем гетеротрофное питание, поэтому у ранних форм жизни он возникнуть не мог. Из некоторых веществ под действием энергии солнечного излучения образовывались соединения, необходимых клетке.

Первые фотосинтезирующие организмы не выделяли кислорода. Фотосинтез с его выделением скорее всего появился позже у организмов, сходных с нынешними сине-зелеными водорослями.

Накопление в атмосфере кислорода, появление озонового экрана, уменьшение количества ультрафиолетового излучения привело к почти невозможности абиогенного синтеза сложных органических веществ. С другой стороны, возникшие формы жизни стали более устойчивыми в таких условиях.

На Земле распространилось кислородное дыхание. Анаэробные организмы сохранились лишь в отдельных местах (например, есть анаэробные бактерии, живущие в горячих подземных источниках).

Происхождение жизни на Земле

Цели обучения

1. Опишите требования к происхождению жизни (источник углерода, энергия, отделение молекул от окружающей среды, наследственный механизм)
2. Опишите шаги, которые привели к возникновению жизни (образуются органические молекулы, макромолекулы полимеризуются, развивается наследственный механизм, образуются заключенные в мембраны протоклетки).
3. Примените принципы эволюции путем естественного отбора к предбиотическим сценариям.

Происхождение жизни — загадка, окончательная головоломка с курицей и яйцом (R Service, 2015). Когда вы и сокурсники вместе обсуждали определяющие характеристики жизни, вы, вероятно, включали воспроизводство и наследственную информацию, преобразование энергии, рост и реакцию на окружающую среду. Вы также могли сказать, что, по крайней мере, на Земле, вся жизнь состоит из клеток с мембранами, которые образуют границы между клеткой и окружающей средой, и что клетки состоят из органических молекул (состоящих из углерода, водорода, азота, кислорода, фосфат, а сера — ЧНОПС).Загадка состоит в том, что на Земле сегодня вся жизнь происходит из ранее существовавшей жизни. Эксперименты Пастера опровергли спонтанное зарождение микробов из кипяченого питательного бульона. Еще ни одному ученому не удалось создать живую клетку из органических молекул. Так как же могла возникнуть жизнь на Земле около 3,8 миллиарда лет назад? (Не забывайте о шкале времени, о которой мы здесь говорим — Земле 4,6 миллиарда лет, поэтому химической эволюции потребовалось почти миллиард лет, чтобы привести к биологической жизни.) Как можно ответить на этот вопрос, используя процесс научного исследования?

Исследования происхождения жизни

Хотя ученые не могут напрямую определить, как возникла жизнь на Земле, они могут сформулировать и проверить гипотезы о естественных процессах, которые могли бы объяснить различные промежуточные этапы, в соответствии с геологическими данными. В 1920-х годах Александр Опарин и Дж. Б. С. Холдейн независимо друг от друга выдвинули почти идентичные гипотезы происхождения жизни на Земле. Их гипотеза теперь называется гипотезой Опарина-Холдейна, и ключевые шаги:

1. образование органических молекул, строительных блоков клеток (например,г., аминокислоты, нуклеотиды, простые сахара)
2. образование полимеров (более длинных цепей) органических молекул, которые могут функционировать как ферменты для проведения метаболических реакций, кодирования наследственной информации и, возможно, репликации (например, белков, цепей РНК),
3. образование протоклеток; концентрации органических молекул и полимеров, которые проводят метаболические реакции в замкнутой системе, отделенной от окружающей среды полупроницаемой мембраной, такой как двухслойная липидная мембрана

Гипотеза Опарина-Холдейна постоянно проверялась и пересматривалась, и любая гипотеза о том, как зародилась жизнь, должна учитывать 3 основных универсальных требования для жизни: способность воспроизводить и воспроизводить наследственную информацию; заключение в мембраны для образования клеток; использование энергии для достижения роста и воспроизводства.

1. Как органические молекулы образовались на предбиотической Земле?

Эксперимент Миллера-Юри
Стэнли Миллер и Гарольд Ури проверили первый шаг гипотезы Опарина-Холдейна, исследуя образование органических молекул из неорганических соединений. Их эксперимент 1950-х годов произвел ряд органических молекул, включая аминокислоты, которые производятся и используются живыми клетками для роста и размножения.

Эксперимент Миллера-Юри, иллюстрация Адриана Хантера на Wikimedia Commons

Миллер и Юри использовали экспериментальную установку, чтобы воссоздать условия окружающей среды на ранней Земле.Газовая камера моделирует атмосферу с восстановителями (донорами электронов), такими как метан, аммиак и водород. Электрические искры имитировали молнию для выработки энергии. Всего за неделю этот простой аппарат вызвал химические реакции, в результате которых образовались различные органические молекулы, некоторые из которых являются основными строительными блоками жизни, например, аминокислоты. Хотя ученые больше не верят, что на докиотической Земле была такая восстановительная атмосфера, такие восстановительные среды можно найти в глубоководных гидротермальных жерлах, которые также имеют источник энергии в виде тепла из жерл.Кроме того, более поздние эксперименты, в которых использовались условия, которые, как считается, лучше отражают условия ранней Земли, также дали множество органических молекул, включая аминокислоты и нуклеотиды (строительные блоки РНК и ДНК) (McCollom, 2013).

Видео ниже дает хороший обзор обоснования, установки и результатов эксперимента Миллера-Юри (хотя в нем неверно преувеличено, что Дарвин показал , что относительно простые существа могут постепенно давать начало более сложным существам).

Органические молекулы от метеоров

Каждый день Землю бомбардируют метеоритами и кометной пылью. Анализ космической пыли и метеоров, упавших на Землю, показал, что они содержат много органических молекул. Падение кометной пыли и метеоритов было намного больше, когда Земля была молодой (4 миллиарда лет назад). Многие ученые считают, что такое внеземное органическое вещество внесло значительный вклад в органические молекулы, доступные в то время, когда на Земле зародилась жизнь.На приведенном ниже рисунке из Бернштейна 2006 показаны 3 основных источника органических молекул на дживой Земле: атмосферный синтез по химии Миллера-Юри, синтез в глубоководных гидротермальных источниках и падение органических молекул, синтезированных в космическом пространстве.

2. Образование органических полимеров

При достаточно высокой концентрации этих основных органических молекул, при определенных условиях они будут связываться вместе с образованием полимеров (цепочек молекул, ковалентно связанных друг с другом).Например, аминокислоты соединяются вместе, образуя полипептидные цепи, которые складываются в молекулы белка. Рибоза, 5-углеродный сахар, может связываться с азотистым основанием, а фосфат — с нуклеотидом. Нуклеотиды соединяются вместе, образуя нуклеиновые кислоты, такие как ДНК и РНК. Хотя сейчас это осуществляется ферментами в живых клетках, полимеризация органических молекул также может катализироваться с помощью определенных типов глины или других типов минеральных поверхностей. Эксперименты, проверяющие эту модель, дали молекулы РНК длиной до 50 единиц всего за 1-2 недели (Ferris, 2006).

Ферментативная активность и наследственная информация в одном полимере: гипотеза мира РНК

Открытие Томасом Чехом того факта, что некоторые молекулы РНК могут катализировать свое собственное сайт-специфическое расщепление, привело к получению Нобелевской премии (Чеху и Альтману), термину « рибозимы » для обозначения каталитических молекул РНК и возрождению гипотезы о том, что Молекулы РНК были исходными наследственными молекулами, предшествующими ДНК. Для исследователей происхождения жизни здесь была возможность того, что молекулы РНК могут как кодировать наследственную информацию, так и катализировать собственную репликацию.ДНК как первая наследственная молекула представляла реальные проблемы для исследователей происхождения жизни, потому что для репликации ДНК требуются белковые ферменты (ДНК-полимеразы) и праймеры РНК (см. Страницу о репликации ДНК), поэтому трудно представить, как такая сложная наследственная система могла иметь развивалась с нуля. С помощью каталитических молекул РНК отдельная молекула или семейство подобных молекул потенциально может хранить генетическую информацию и воспроизводить себя без необходимости в белках на начальном этапе.

Популяции таких каталитических молекул РНК претерпят молекулярную эволюцию, концептуально идентичную биологической эволюции путем естественного отбора.Молекулы РНК будут копировать друг друга, совершая ошибки и генерируя варианты. Варианты, которые были наиболее успешны в репликации (распознают идентичные или очень похожие молекулы РНК и наиболее эффективно их реплицируют), будут чаще встречаться в популяции каталитических молекул РНК. Гипотеза мира РНК предполагает этап в зарождении жизни, на котором самовоспроизводящиеся молекулы РНК в конечном итоге привели к эволюции наследственной системы в первых клетках или протоклетках.Система молекул РНК, которые кодируют кодоны, определяющие аминокислоты, и тРНК-подобные молекулы, передающие соответствующие аминокислоты, и каталитические РНК, которые создают пептидные связи, будут составлять наследственную систему, очень похожую на сегодняшние клетки, без ДНК.

В какой-то момент в линии, ведущей к Последнему универсальному общему предку, ДНК стала предпочтительной молекулой для длительного хранения генетической информации. Молекулы ДНК химически более стабильны, чем РНК (дезоксирибоза химически более инертна, чем рибоза).Наличие двух комплементарных цепей означает, что каждая цепочка ДНК может служить в качестве матрицы для репликации своей партнерской цепи, обеспечивая некоторую врожденную избыточность. Эти и, возможно, другие черты дали клеткам с наследственной системой ДНК избирательное преимущество, так что вся клеточная жизнь на Земле использует ДНК для хранения и передачи генетической информации.

Тем не менее, даже сегодня рибозимы играют универсальную и центральную роль в обработке клеточной информации. Рибосома — это большой комплекс РНК и белков, который считывает генетическую информацию в цепи РНК для синтеза белков.Ключевая каталитическая активность, образование пептидных связей, связывающих две аминокислоты вместе, катализируется молекулой рибосомной РНК. Рибосома — это гигантский рибозим. Поскольку рибосомы универсальны для всех клеток, такие каталитические РНК должны были присутствовать в Последнем Универсальном Общем Предке всей современной жизни на Земле.

Посетите страницу http://exploringorigins.org/ribozymes.html, чтобы просмотреть первый рибозим из тетрахимены, открытый Томом Чехом, и структуру рибосомных РНК.

На странице http://exploringorigins.org/nucleicacids.html есть видеоролики о полимеризации РНК из нуклеотидов, матричном синтезе РНК и модели саморепликации РНК.

Видео ниже объясняет логику гипотезы о мире РНК и кратко описывает некоторые результаты различных экспериментов с миром РНК.

3. Протоклетки: самовоспроизводящиеся и метаболические ферменты в пакете

Вся жизнь на Земле состоит из клеток.Клетки имеют липидные мембраны, которые отделяют их внутреннее содержимое, цитоплазму, от окружающей среды. Липидные мембраны позволяют клеткам поддерживать высокие концентрации таких молекул, как нуклеотиды, необходимые для более эффективного функционирования самореплицирующихся РНК. Клетки также поддерживают большие различия в концентрации (градиенты концентрации) ионов через мембрану, чтобы управлять транспортными процессами и энергетическим метаболизмом клеток.

Липиды гидрофобны и спонтанно самоорганизуются в воде с образованием мицелл или липидных двухслойных везикул.Везикулы, которые содержат самореплицирующиеся РНК и другие ферменты, принимают реагенты через мембрану, экспортируют продукты, растут за счет аккреции липидных мицелл и делятся путем деления везикулы, называются прото-клетками или протобионтами и могут быть предшественниками клеточная жизнь.

См. Http://exploringorigins.org/protocells.html для видео-анимации прото-ячеек.

Видео ниже исследует различия между химической и биологической эволюцией и выделяет прото-клетки как пример химической эволюции.

В какой момент эволюционные процессы, такие как естественный отбор, начнут определять происхождение первых клеток?

Биологическая эволюция ограничена живыми организмами. Таким образом, как только первые клетки, укомплектованные наследственной системой, будут сформированы, они будут подвержены эволюционным процессам, и естественный отбор будет стимулировать адаптацию к их локальной среде, а популяции в различных средах будут претерпевать видообразование, поскольку поток генов становится ограниченным между изолированными популяциями. .

Однако гипотеза мира РНК предполагает эволюционные процессы, управляющие популяциями самовоспроизводящихся молекул РНК или прото-клеток, содержащих такие молекулы РНК. Молекулы РНК, которые реплицируются неидеально, производят дочерние молекулы с немного разными последовательностями. Те, которые лучше реплицируются или улучшают репликацию роста своих прото-клеток-хозяев, будут иметь больше потомства. Следовательно, молекулярная эволюция самореплицирующихся молекул РНК или популяций протоклеток, содержащих самореплицирующиеся молекулы РНК, будет способствовать возможному образованию первых клеток.

Ссылки и ресурсы

Статья Пателя и др. О химии HCN. 2015 г. со статьей Р. Сервиса в журнале Science News.

Bernstein M 2006. Пребиотические материалы на Земле и за ее пределами. Philos Trans
R Soc Lond B Biol Sci. 361: 1689-700; обсуждение 1700-2. PubMed
PMID: 17008210; PubMed Central PMCID: PMC1664678.

Изучение истоков жизни: http://exploringorigins.org/index.html

8.1B: Элементы жизни — Биология LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

1. ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ
2. КЛЮЧЕВЫЕ ВЫВОДЫ
3. Ключевые моменты
4. Ключевые термины

Ключевые элементы были необходимы для того, чтобы ранняя жизнь зародилась на Земле.

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

Определите ключевые элементы жизни

КЛЮЧЕВЫЕ ВХОДЫ

Ключевые моменты

• Хотя точные заместители для образования в раннем возрасте до конца не согласованы, большинство теорий сходятся во мнении, что метан, аммиак, вода, сероводород, диоксид углерода или монооксид углерода и фосфат были необходимы в отсутствие молекулярного кислорода и озона.
• В супе первозданной земли ведутся споры о том, были ли РНК или белок первыми молекулами, необходимыми для зарождения простой жизни, поскольку оба могут катализировать их самосборку.
• После того, как простые молекулы сформировались на исконной Земле, на них затем можно было воздействовать селективным давлением для репликации, что положило начало эволюции первых форм жизни на Земле.

Ключевые термины

• фосфолипид : любой липид, подобный лецитину или цефалину, состоящий из диглицерида, объединенного с фосфатной группой, и простой органической молекулы, такой как холин или этаноламин; они являются важными составляющими биологических мембран
• рибозим : фрагмент РНК, который может действовать как фермент.

Не существует «стандартной модели» происхождения жизни. Однако большинство общепринятых в настоящее время моделей извлекают по крайней мере некоторые элементы из структуры, заложенной в гипотезе Опарина-Холдейна. Гипотеза Опарина-Холдейна предполагает, что атмосфера на ранней Земле могла быть химически восстановительной по своей природе и состояла в основном из метана (CH ₄ ), аммиака (NH ₃ ), воды (H ₂ O), сероводород (H ₂ S), диоксид углерода (CO ₂ ) или монооксид углерода (CO) с фосфатом (PO ₄ ^3-), молекулярным кислородом (O ₂ ) и озоном (O ₃ ) либо редки, либо отсутствуют.

В такой восстановительной атмосфере электрическая активность может катализировать создание некоторых основных небольших молекул (мономеров) жизни, таких как аминокислоты. Это было продемонстрировано в эксперименте Миллера-Юри Стэнли Л. Миллера и Гарольда К. Юри в 1953 году. Фосфолипиды (соответствующей длины) могут образовывать липидные бислои, основной компонент клеточной мембраны.

Рисунок: Эксперимент Миллера-Юри : Схема аппарата, используемого Миллером и Юри. Используя этот аппарат и условия, которые, как считалось, приближались к условиям на предбиотической земле, они смогли катализировать молекулы жизни, такие как аминокислоты.

Фундаментальный вопрос касается природы первой самовоспроизводящейся молекулы. Поскольку репликация осуществляется в современных клетках за счет кооперативного действия белков и нуклеиновых кислот, основные школы мысли о том, как возник этот процесс, можно в широком смысле классифицировать как «сначала белки» и «сначала нуклеиновые кислоты». Основная идея аргумента «сначала нуклеиновые кислоты» заключаются в следующем:

1. Полимеризация нуклеотидов в случайные молекулы РНК могла привести к самовоспроизводящимся рибозимам (гипотеза мира РНК).
2. Давление отбора для каталитической эффективности и разнообразия могло привести к появлению рибозимов, которые катализируют перенос пептидила (следовательно, образование небольших белков), поскольку олигопептиды образуют комплекс с РНК с образованием лучших катализаторов. Первая рибосома могла быть создана этим процессом, что привело к более преобладанию синтеза белка.
3. Синтезированные белки могут затем превзойти рибозимы по каталитической способности, таким образом, стать доминирующим биополимером, отводя нуклеиновые кислоты к их современному использованию в качестве носителя геномной информации.

Биолог Джон Десмонд Бернал ввел термин «биопоэзис» для этого процесса и предположил, что существует ряд четко определенных «стадий», которые можно распознать при объяснении происхождения жизни:

• Этап 1: Происхождение биологических мономеров
• Этап 2: Происхождение биологических полимеров
• Этап 3: эволюция от молекул к клетке

Современная теория происхождения жизни

Прочтите эту статью, чтобы узнать о современной теории, также известной как теория происхождения жизни Опарина-Холдейна!

Современная теория или Теория Опарина-Холдейна происхождения жизни:

Согласно этой теории, жизнь зародилась на ранней Земле в результате физико-химических процессов объединения атомов в молекулы, при этом молекулы, в свою очередь, реагируют с образованием неорганических и органических соединений.Органические соединения взаимодействовали с образованием всех типов макромолекул, которые организовывались, чтобы сформировать первую живую систему или клетки.

Изображение предоставлено: upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6f/Blacksmoker_in_Atlantic_Ocean.jpg

Таким образом, согласно этой теории «жизнь» возникла на нашей Земле спонтанно из неживой материи. Сначала неорганические соединения, а затем и органические соединения образовывались в соответствии с постоянно меняющимися условиями окружающей среды. Это называется химической эволюцией, которая не может происходить в нынешних условиях окружающей среды на Земле.Условия, подходящие для зарождения жизни, существовали только на первобытной земле.

Теория Опарина-Холдейна также называется химической теорией или натуралистической теорией. А. И. Опарин (1894-1980) — русский ученый. Он опубликовал свою книгу «Происхождение жизни» в 1936 году и английское издание в 1938 году. J.B.S. Холдейн (1892-1964) родился в Англии, но в июле 1957 года эмигрировал в Индию и поселился в Бхубанешваре, штат Орисса. Он был биологом, биохимиком и генетиком. И Опарин (1938), и Холдейн (1929) высказали схожие взгляды на происхождение жизни.

Современные взгляды на происхождение жизни включают химическую эволюцию и биологическую эволюцию:

A. Химическая эволюция (Chemogeny):

1. Атомная фаза:

Ранняя Земля имела бесчисленное количество атомов всех тех элементов (например, водорода, кислорода, углерода, азота, серы, фосфора и т. Д.), Которые необходимы для образования протоплазмы. Атомы были разделены на три концентрические массы в зависимости от их веса: (а) Самые тяжелые атомы железа, никеля, меди и т. Д.были найдены в центре Земли, (б) Атомы натрия, калия, кремния, магния, алюминия, фосфора, хлора, фтора, серы и т.д. средней массы были собраны в ядре Земли, (в) Самые легкие атомы азота, водорода, кислорода, углерода и т. д. сформировали примитивную атмосферу.

2. Образование неорганических молекул:

Свободные атомы объединяются в неорганические молекулы, такие как H ₂ (водород), N ₂ (азот), H ₂ 0 (водяной пар), CH ₄ (метан), NH ₃ (аммиак ), C0 ₂ (диоксид углерода).Атомы водорода были самыми многочисленными и наиболее реактивными в примитивной атмосфере.

Первые атомы водорода соединяются со всеми атомами кислорода с образованием воды и не оставляют свободного кислорода. Таким образом, примитивная атмосфера была восстановительной атмосферой (без свободного кислорода) в отличие от нынешней окислительной атмосферы (со свободным кислородом).

Атомы водорода также соединяются с азотом, образуя аммиак (NH ₃ ). Итак, вода и аммиак, вероятно, были первыми молекулами первобытной земли.

3. Образование простых органических молекул (мономеров):

Ранние неорганические молекулы взаимодействовали и производили простые органические молекулы, такие как простые сахара (например, рибоза, дезоксирибоза, глюкоза и т. Д.), Азотистые основания (например, пурины, пиримидины), аминокислоты, глицерин, жирные кислоты и т. Д.

Должно быть, прошли проливные дожди. Когда вода устремилась вниз, она, должно быть, растворилась и унесла с собой соли и минералы, и в конечном итоге накопилась в виде океанов.Таким образом, древняя океаническая вода содержала большое количество растворенных NH ₃ , CH ₄ , HCN, нитридов, карбидов, различных газов и элементов.

CH ₄ + C0 ₂ + H ₂ 0 -> Сахар + глицерин + жирные кислоты

CH ₄ + HCN + NH ₃ + H ₂ 0 -> Пурины + пиримидины

CH ₄ + NH ₃ + C0 ₂ + H ₂ 0 -> Аминокислоты

Некоторые внешние источники должны были воздействовать на смесь для реакций.Этими внешними источниками могут быть (i) солнечное излучение, такое как ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи и т. Д., (Ii) энергия электрических разрядов, таких как молния, (iii) высокоэнергетическое излучение — другие источники энергии (возможно, нестабильные изотопы на первобытная земля). В атмосфере отсутствовал озоновый слой.

Супообразный бульон из химических веществ, образовавшийся в океанах древней Земли, из которого, как полагают, произошли живые клетки, был назван Дж. Б. Холдейном (1920) «пребиотическим супом» (также называемым «горячим разбавленным супом»).Таким образом, была подготовлена ​​почва для сочетания различных химических элементов. После образования органические молекулы накапливались в воде, потому что их разложение было чрезвычайно медленным в отсутствие каких-либо катализаторов жизни или ферментов.

Экспериментальные доказательства абиогенной молекулярной эволюции жизни:

Стэнли Миллер в 1953 году, который тогда был аспирантом Гарольда Ури (1893-1981) в Чикагском университете, ясно продемонстрировал, что ультрафиолетовое излучение, электрические разряды, тепло или их комбинация могут производить сложные органические соединения из смесь метана, аммиака, воды (струя воды) и водорода.Соотношение метана, аммиака и водорода в эксперименте Миллера было 2: 1: 2.

Миллер циркулировал четыре газа — метан, аммиак, водород и водяной пар в герметичном аппарате и пропускал электрические разряды от электродов при 800 ° C. Он пропустил смесь через конденсатор.

Он обеспечивал непрерывную циркуляцию газов таким образом в течение одной недели, а затем проанализировал химический состав жидкости внутри аппарата. Он обнаружил большое количество простых органических соединений, включая некоторые аминокислоты, такие как аланин, глицин и аспарагиновая кислота.Миллер провел эксперимент, чтобы проверить идею о том, что органические молекулы могут быть синтезированы в восстанавливающей среде.

Также присутствовали другие вещества, такие как мочевина, цианистый водород, молочная кислота и уксусная кислота. В другом эксперименте Миллер таким же образом циркулировал по смеси газов, но не пропускал электрический разряд. Он не мог получить значительного выхода органических соединений.

Позднее многие исследователи синтезировали большое количество разнообразных органических соединений, включая пурины, пиримидины, простые сахара и т. Д.Считается, что основные «строительные блоки», такие как нуклеотиды, аминокислоты и т. Д. Живых организмов, могли таким образом сформироваться на примитивной Земле.

4. Образование сложных органических молекул (макромолекул):

Разнообразие аминокислот, жирных кислот, углеводородов, пуринов и пиримидиновых оснований, простых сахаров и других органических соединений, накопленных в древних морях. В первобытной атмосфере электрический разряд, молния, солнечная энергия, АТФ и полифосфаты могли служить источником энергии для реакций полимеризации органического синтеза.

S.W. Фокс из Университета Майами продемонстрировал, что при нагревании почти сухой смеси аминокислот синтезируются молекулы полипептидов. Точно так же простые сахара могут образовывать полисахариды, а жирные кислоты могут объединяться с образованием жиров. Аминокислоты могли образовывать белки, когда были задействованы другие факторы.

Таким образом, небольшие простые органические молекулы объединяются в большие сложные органические молекулы, например, аминокислотные единицы, соединенные с образованием полипептидов и белков, простые сахарные единицы, объединенные с образованием полисахаридов, жирные кислоты и глицерин объединяются с образованием жиров, сахаров, азотистых оснований и фосфаты объединились в нуклеотиды, которые полимеризовались в нуклеиновые кислоты в древних океанах.

сахар + сахар ———-> полисахариды

жирные кислоты + глицерин ———-> жиры

Аминокислоты- + Аминокислоты ———–> Белки

Азотистые основания + пентозные сахара + фосфаты ———> Нуклеотиды

Нуклеотиды + Нуклеотиды ———–> Нуклеиновые кислоты

Какая была первая РНК или белок?

Первая гипотеза РНК:

В начале 1980-х трое ученых (Лесли Оргель, Фрэнсис Крик и Карл Вёзе) независимо друг от друга предложили мир РНК как первую стадию эволюции жизни, на которой РНК катализирует все молекулы, необходимые для выживания и репликации.Томас Сек и Сидни Альтман разделили Нобелевскую премию по химии в 1989 году, потому что они обнаружили, что РНК может быть как субстратом, так и ферментом.

Если первые клетки использовали РНК в качестве наследственной молекулы, ДНК эволюционировала из матрицы РНК. ДНК, вероятно, не эволюционировала как наследственная молекула, пока жизнь, основанная на РНК, не оказалась заключенной в мембрану. После того, как клетки эволюционировали, ДНК, вероятно, заменила РНК в качестве генетического кода большинства организмов.

Белковая первая гипотеза:

Ряд авторов (например, Sidney Fox, 1978) утверждали, что белковая каталитическая система должна была развиться раньше, чем репликативная система нуклеиновых кислот.Сидни Фокс показал, что аминокислоты полимеризуются абиотически при воздействии сухого тепла с образованием протеиноидов.

Гипотеза Кэрнса-Смита:

Это было предложено Грэмом Кэймс-Смитом, согласно которому и белки, и РНК возникли одновременно.

Образование нуклеопротеинов:

Гигантские молекулы нуклеопротеинов были образованы объединением молекул нуклеиновой кислоты и белка. Эти нуклеопротеидные частицы были описаны как свободно живущие гены.Нуклеопротеины, скорее всего, подали первый признак жизни.

B. Biological Evolution (Biogeny):

Условия возникновения жизни:

Для зарождения жизни необходимо как минимум три условия.

(a) Должен быть запас репликаторов, то есть самопроизводящих молекул.

(b) Копирование этих репликаторов должно быть подвержено ошибкам из-за мутации.

(c) Система репликаторов должна была требовать непрерывной подачи свободной энергии и частичной изоляции от общей окружающей среды.

Высокая температура на ранней Земле могла удовлетворить требование мутации.

1. Протобионты или протоклетки:

Это по крайней мере два типа довольно простых структур, полученных в лаборатории — коацерваты Опарина и микросферы Фокса, которые обладают некоторыми из основных предпосылок прото-клеток.

Хотя эти структуры были созданы искусственно, они указывают на вероятность того, что небиологические мембранные оболочки (протоклетки) могли поддерживать реактивные системы в течение, по крайней мере, коротких периодов времени, и привели к исследованиям по экспериментальному производству мембраносвязанных везикул, содержащих молекулы, я.э., прото-клетки.

(i) Коацерваты:

Первую гипотезу предложил Опарин (1920). Согласно этой гипотезе, ранняя прото-клетка могла быть коацерватом. Опарин дал термин коацерваты. Это были неживые структуры, которые привели к образованию первых живых клеток, из которых сегодня произошли более сложные клетки.

Опарин предположил, что прото-клетка состоит из углеводов, белков, липидов и нуклеиновых кислот, которые накапливаются с образованием коацервата.Такая структура могла состоять из совокупности органических макромолекул, окруженных пленкой молекул воды.

Такое расположение молекул воды, хотя и не является мембраной, могло функционировать как физический барьер между органическими молекулами и их окружением. Они могли выборочно брать материалы из своего окружения и включать их в свою структуру.

Коацерваты синтезированы в лаборатории. Они могут выборочно поглощать химические вещества из окружающей воды и включать их в свою структуру.Некоторые коацерваты содержат ферменты, которые направляют химические реакции определенного типа.

Поскольку у них нет определенной мембраны, никто не утверждает, что коацерваты живы, но они действительно проявляют некоторую жизнь, как персонажи. У них простая, но стойкая организация. Они могут оставаться в растворе в течение длительного времени. У них есть способность увеличиваться в размерах.

(ii) микросферы:

Другая гипотеза состоит в том, что ранняя прото-клетка могла быть микросферой.Микросфера — это неживой набор органических макромолекул с двухслойной внешней границей. Термин микросфера был дан Сиднеем Фоксом (1958-1964).

Сидни Фокс продемонстрировал способность строить микросферы из протеиноидов. Протеиноиды — это белковые структуры, состоящие из разветвленных цепочек аминокислот. Протеиноиды образуются путем дегидратационного синтеза аминокислот при температуре 180 ° C. Фокс из Университета Майами показал, что возможно объединить отдельные аминокислоты в полимеры протеиноидов.Он также продемонстрировал способность создавать микросферы из этих протеиноидов.

Fox наблюдал небольшие сферические клеточно-подобные единицы, которые возникли из агрегаций протеиноидов. Эти молекулярные агрегаты были названы протеиноидными микросферами. Первые неклеточные формы жизни могли возникнуть 3 миллиарда лет назад. Это были бы гигантские молекулы (РНК, белки, полисахариды и т. Д.).

Микросферы могут быть сформированы, когда протеиноиды помещают в кипящую воду и медленно охлаждают.Часть протеиноидного материала образует структуру с двойными границами, которая окружает микросферу. Хотя эти стенки не содержат липидов, они обладают некоторыми мембраноподобными характеристиками и предполагают структуру клеточной мембраны.

Микросферы набухают или сжимаются в зависимости от осмотического потенциала окружающего раствора. Они также демонстрируют тип внутреннего движения (потока), подобный тому, который демонстрируют клетки, и содержат некоторые протеиноиды, которые функционируют как ферменты. Используя АТФ в качестве источника энергии, микросферы могут управлять образованием полипептидов и нуклеиновых кислот.Они могут поглощать материал из окружающей среды.

Они обладают способностью к подвижности, росту, бинарному делению на две частицы и способностью к размножению посредством почкования и фрагментации. Внешне их бутоны напоминают ростки бактерий и грибов.

По мнению некоторых исследователей, микросферы можно считать первыми живыми клетками.

2. Происхождение прокариот:

прокариот произошли из прото-клеток около 3,5 миллиардов лет назад в море.Атмосфера была анаэробной, потому что в ней отсутствовал свободный кислород. Прокариоты не имеют ядерной мембраны, цитоскелета или сложных органелл. Они делятся двойным делением. Некоторые из самых старых известных ископаемых клеток появляются как части строматолитов. Строматолиты сегодня образуются из отложений и фотосинтезирующих прокариот (в основном нитчатых цинобактерий — сине-зеленых водорослей).

3. Развитие способов питания :

(i) Гетеротрофы:

Предположительно, самые ранние прокариоты получали энергию путем ферментации органических молекул из морского бульона в бескислородной атмосфере (восстановительной атмосфере).Им требовался готовый органический материал в качестве пищи, и поэтому они были гетеротрофами.

(ii) Автотрофы:

В связи с быстрым увеличением количества гетеротрофов, биогенное вещество из морской воды стало исчезать и постепенно истощалось. Это привело к эволюции автотрофов. Эти организмы были способны производить свои собственные органические молекулы путем хемосинтеза или фотосинтеза.

(а) Хемоавтотрофы:

Падение температуры остановило синтез органических молекул в морской воде.Некоторые из ранних прокариотов превратились в хемоавтотрофов, которые готовили органическую пищу, используя энергию, выделяемую во время определенных неорганических химических реакций. Эти анаэробные хемоавтотрофы походили на настоящие анаэробные бактерии. Они выбросили в атмосферу CO ₂ .

(б) Фотоавтотрофы:

Эволюция молекулы хлорофилла позволила некоторым протоклеткам использовать световую энергию и синтезировать углеводы. Это были анаэробные фотоавтотрофы.Они не использовали воду в качестве источника водорода. Они были похожи на современные серные бактерии, у которых сероводород расщеплялся на водород и серу. Водород использовался в производстве продуктов питания, а сера выбрасывалась как отходы.

Аэробные фотоавтотрофы использовали воду как источник водорода и углекислый газ как источник углерода для синтеза углеводов в присутствии солнечной энергии. Первыми аэробными фотоавтотрофами были цианобактерии (сине-зеленые водоросли), подобные формам, которые имели хлорофилл.Они выделяли кислород в атмосферу как побочный продукт фотосинтеза. Основным источником генетической изменчивости была мутация.

Кислородная революция:

По мере увеличения числа фотоавтотрофов в море и атмосферу выделялся кислород. Затем свободный кислород вступил в реакцию с метаном и аммиаком, присутствующими в примитивной атмосфере, и преобразовал метан и аммиак в диоксид углерода и свободный азот.

CH ₄ + 20 ₂ ————-> CO ₂ + 2H ₂ O

4NH ₃ + 3O ₂ ———–> 2N ₂ + 6H ₂ O

Самая старая окаменелость, принадлежащая сине-зеленым водорослям, называется Archaeospheroides barbertonensis, которой 3 года.2 миллиарда лет. Прокариоты, выделяющие кислород, впервые появились по крайней мере 2,5 миллиарда лет назад.

4. Формирование озонового слоя:

По мере того, как в атмосфере накапливается кислород, ультрафиолетовое излучение превращает часть кислорода в озон.

2O ₂ + O ₂ ———-> 2O ₃

Озон образовывал слой в атмосфере, блокируя ультрафиолетовый свет и оставляя видимый свет основным источником энергии.

5.Происхождение эукариот:

Эукариоты развились из примитивных прокариотических клеток около 1,5 миллиарда лет назад. Есть два взгляда на происхождение эукариот.

(i) Симбиотическое происхождение:

Согласно Маргулису (1970-1981) из Бостонского университета, некоторые анаэробные хищные клетки-хозяева поглощали примитивные аэробные бактерии, но не переваривали их. Эти аэробные бактерии обосновались внутри клеток-хозяев как симбионты. Такие хищные клетки-хозяева стали первыми эукариотическими клетками.

Хищные клетки-хозяева, поглотившие аэробные бактерии, превратились в клетки животных, а те, которые захватили как аэробные бактерии, так и сине-зеленые водоросли, стали клетками эукариотических растений. Аэробные бактерии утвердились в митохондриях, а сине-зеленые водоросли — в хлоропластах.

(ii) Происхождение инвагинацией:

Согласно этой точке зрения клеточные органеллы эукариотических клеток могли возникнуть в результате инвагинации поверхностной мембраны примитивных прокариотических клеток.

«Зарождение жизни» в JSTOR

Abstract

Предпринята попытка формального решения основных проблем возникновения жизни, приняв в качестве фундаментальной аксиомы правдоподобное предположение, что это была спонтанная, естественная последовательность «наиболее вероятных» событий. Выживание путем естественного отбора — это частный пример наиболее вероятного события, и поэтому оно действует на всех этапах его возникновения. Истинные эволюционные новшества были наиболее вероятным ответом на новые условия окружающей среды и, возможно, стали более редкими по мере уменьшения изменения причинных условий.Наиболее вероятное поведение живых организмов как «открытых» систем отличается от поведения классических закрытых систем. Устойчивое состояние, характерное для таких открытых систем, включает очевидный парадокс стабильной, самовоспроизводящейся «ткани», поддерживаемой циклической метаболической активностью. Стабильность динамичная. Теории возникновения жизни часто рассматривают только ткань и игнорируют метаболический аспект системы. Этому способствует несколько факторов, и это может привести к ошибкам, особенно в шкалах скорости и величины.Часто постулируется медленное, длительное приобретение новых материалов, даже представленных в некоторых случаях одной молекулой того же вида. Более вероятно, что все важные материалы и реакции были приобретены на раннем этапе, панглобально и в количестве, и что последующая эволюция была ограничена (а) наиболее вероятными нововведениями, как указано выше, и (б) менее фундаментальными таксономическими изменениями, частично зависящими от об изменениях в самой биологической среде. В целом в ходе эволюции произошло биохимическое упрощение, а не наоборот.«Аметаболическая» точка зрения приводит к сомнительным выводам о том, что изначально не было автотрофов, фотоактивированного эндергонного синтеза, необходимости в солнечной энергии и без распада, что первоначальные гетеротрофы могли бесконечно питаться ограниченным запасом нетронутых органических соединений и что в целом на ранней Земле преобладали восстановительные условия. Эта точка зрения не учитывает, что общий уровень окисления менее важен, чем поддержание разницы потенциалов свободной энергии между организмом и окружающей средой.Он также имеет тенденцию упускать из виду относительную скорость циркуляции органического материала через живые системы и последствия этого для эволюции. Цикл не связан с суточными или сезонными циклами притока солнечной энергии. Это непременное условие для продолжения жизни. Любые серьезные «узкие места» или «накопление» материалов могут иметь катастрофические последствия. Произошел автоматический выбор в пользу циклически взаимозависимых автотрофных и гетеротрофных активностей, поскольку каждая из них косвенно способствует саморекламе.Это привело к все более быстрой циркуляции, но с ограничивающими факторами. Быстрая циркуляция материала, проявляющаяся в интенсивной конкуренции за него, указывает на то, что материал, а не энергия, вероятно, всегда был ограничивающим фактором в жизнедеятельности и эволюции на Земле. В этой открытой системе подача энергии, вероятно, не представляет серьезной проблемы, и эндергонические реакции не очень маловероятны. Молекулярная агрегация, то есть синтез, и подобные явления на более высоком уровне организма — прием пищи, сингамия и т. Д.-могут быть наиболее вероятными процессами в таких системах, поскольку они могут поглощать избыточную энергию. Избирательная агрегация часто наблюдается как в неорганических, так и в органических системах. Образование «коацерватов», нетронутых дискретных организмов, вероятно, является спонтанным процессом этого типа. Убытки от износа являются неотъемлемым, наиболее вероятным свойством любой системы, и эффективная статистическая замена была первой важной для живых систем. С появлением отдельных организмов возникла необходимость в более специфических заменах.Феномен смерти также появился как прерывистая макропотеря, а воспроизводство и рост стали подходящей заменой. Различные «рабочие функции» живых организмов в основном схожи и имеют много общего с типами агрегации и поглощения наиболее вероятных процессов.

Информация о журнале

Текущие выпуски теперь размещены на веб-сайте Chicago Journals. Прочтите последний выпуск. Ежеквартальный обзор биологии (QRB) представляет проницательные исторические, философские и технические трактовки важных биологических тем с 1926 года.Как главный обзорный журнал по биологии, QRB публикует выдающиеся обзорные статьи большого объема, которые руководствуются обширным, всеобъемлющим и часто гуманистическим пониманием биологии. Помимо основных биологических наук, QRB также является важным обзорным журналом для ученых в смежных областях, включая политические исследования, историю и философию науки. Обширный раздел обзоров новых книг по биологии предоставляет преподавателям и исследователям информацию о последних публикациях в жизни

Информация об издателе

С момента своего основания в 1890 году в качестве одного из трех основных подразделений Чикагского университета, University of Chicago Press взяла на себя обязательство распространять стипендии высочайшего стандарта и публиковать серьезные работы, способствующие образованию, развитию общественное понимание и обогащение культурной жизни.Сегодня Отдел журналов издает более 70 журналов и сериалов в твердом переплете по широкому кругу академических дисциплин, включая социальные науки, гуманитарные науки, образование, биологические и медицинские науки, а также физические науки.

Истоки Жизни I | Биология

Работы Дарвина и Уоллеса во многом помогли ответить на вопрос о том, как виды эволюционировали с течением времени. Теория естественного отбора предоставила механизм, с помощью которого сложные формы жизни, включая человека, могли возникнуть из более простых организмов.Но остается открытым более сложный вопрос, а именно: каково происхождение самой жизни? Это один из самых сложных вопросов в науке, даже сегодня , когда мы можем с уверенностью сказать , когда на Земле появилась жизнь.

Микроскопические окаменелости, называемые строматолитами, и остатки сообществ микроорганизмов, называемые микробными матами, позволяют предположить, что на Земле 3,5 миллиарда лет назад обитали микроорганизмы (рис. 1). Кроме того, присутствие определенных изотопов углерода в некоторых метаморфических породах Гренландии говорит ученым о том, что в них могла существовать некая жизнь.8 миллиардов лет назад. Это означает, что от 700 миллионов до одного миллиарда лет после образования Земли здесь была жизнь. Это имеет смысл, потому что это соответствует времени, когда планета достигла достаточно прохладной температуры, чтобы выжить любая жизнь. Но если уточнить время, когда на этой планете появилась жизнь, мы все еще не сможем сказать , как появилась жизнь .

Рисунок 1: Строматолиты в слоях Соэгинина в Эстонии, демонстрирующие характерную слоистую структуру из-за нарастания микробных матов.image © Марк А. Уилсон

С доисторических времен люди искали в основном духовные ответы на этот вопрос. Вокруг костров в каменном веке каждая зарождающаяся культура рассказывала и пересказывала истории о том, как боги создали жизнь из какого-то неживого материала, будь то грязь, глина, камень или солома. Детали древних историй творения со временем заметно изменились, но религия все еще была способом мышления в эпоху Дарвина, когда дело доходило до зарождения самой жизни. Дарвин действительно задумался о происхождении жизни и предположил, что она произошла в теплом пруду.Он предположил, что фосфорные соли и аммиак в предбиотическом пруду каким-то образом были химически изменены теплом, светом и электричеством, что привело к синтезу органических соединений, необходимых для образования первых живых клеток. Дарвин не был химиком, и это было очень поверхностное предположение о предбиотической химии Земли. Это резко контрастировало с детальным и систематическим подходом собственной теории естественного отбора Дарвина.

Тем не менее, идея пруда была началом.Несмотря на то, что они жили в обществе, которое почти повсеместно считало, что у Земли есть разумный создатель, ученые во времена Дарвина уже были довольны и привыкли рассматривать возможность возникновения жизни без вмешательства богов. Эта идея получила название спонтанного зарождения, и, хотя она была уже очень хорошо обоснована во времена Дарвина, она восходит к временам древних греков.

Ранние мыслители

Около 2600 лет назад в ионическом городе Милет (рис.2) натурфилософ Анаксимандр (ок.610–546 г. до н.э.) размышлял о том, как человеческие младенцы рождались совершенно беспомощными. Без родителей у молодых людей не было шансов выжить, и состояние беспомощности сохранялось годами. Эта реальность создала дилемму при рассмотрении первого поколения людей, которое, как предполагал Анаксимандр, должно было появиться в младенчестве. Анаксимандр рассуждал, что для того, чтобы вырасти и родить собственных детей, предки людей в очень далеком прошлом должны были быть более независимыми в младенчестве. Они, должно быть, были больше похожи на некоторых других животных, чьи детеныши рождаются готовыми выжить самостоятельно.

Рисунок 2: Расположение Милета на западном побережье Анатолии, которая сейчас является частью современной Турции. Милет был домом для трех древних философов: Фалеса, Анаксимандра и Анаксимена.

Рассматривая различных животных, Анаксимандр решил, что предки людей должны были быть рыбами. В отличие от млекопитающих, которым для начала жизни нужна была мать, рыбы просто выходят из икры и либо умирают, либо выживают.Это означает, что далекие предки человека могли выжить в младенчестве, если бы они были больше похожи на рыб, чем на людей.

Еще во времена Анаксимандра люди видели скелеты давно умерших существ. Окаменелости вымерших организмов были найдены задолго до того, как палеонтологи начали их искать. Древние греки жили у моря, и часто море вымывало скелеты или размывало землю, обнажая захороненные кости. Живя в этой среде, Анаксимандр имел общее представление об анатомии скелета, а также о том, чем она похожа и чем отличается у людей и других животных.Из-за этого он решил, что переход от рыб к людям должен был быть постепенным. Другими словами, люди произошли от рыб в результате эволюционного процесса.

Поскольку Анаксимандр не предлагал идеи о том, как происходила очевидная эволюция от рыбы до человека, это не было ранней формой теории естественного отбора Дарвина. Но это было началом мысли о том, что жизнь на Земле началась с маленьких организмов. Идея Анаксимандра быстро привела к идее, что маленькие организмы возникли в результате естественного процесса из неживой материи, такой как ил на дне моря.

В течение следующих столетий развивались греческие мыслители, такие как Анаксимен (588–524 гг. До н. Э.), Ксенофан (576–480 гг.), Эмпедокл (495–435 гг.), Демокрит (460–370 гг.) И, наконец, Аристотель (384–322 гг.). изменили идею спонтанного зарождения так, чтобы она соответствовала тому, что люди часто наблюдали на суше. Фермеры, оставляющие зерно в открытом контейнере, заметили, что довольно скоро появились мыши, как будто зерно породило мышей. Люди, оставляющие мясо без присмотра, возвращались и находили личинок, заражающих мясо, как если бы мясо порождало личинок.

Контрольная точка понимания

Какое наблюдение побудило Анаксимандра предположить, что люди произошли от рыбы?

Проверка спонтанного зарождения

К 18 ^-м и 19 ^-м векам древняя греческая идея спонтанного зарождения прочно укоренилась в умах всех, кто осмеливался думать, что происхождение жизни могло не потребоваться богам.И живя в то время, когда наука достигла зрелости, некоторые ранние современные мыслители начали относиться к спонтанному зарождению не как к философии, а как к научной гипотезе. Постепенно они начали подвергать идею научным экспериментам.

Ранняя попытка тестирования спонтанного зарождения произошла в 17, ^-м, -м веке, когда итальянский ученый Франческо Реди (ок. 1626–1697) внимательно изучил феномен мясной личинки.Оставив мясо в открытой банке, он заметил, что личинки действительно появились, а затем личинки превратились в мух, которые затем улетели. Однако, когда он оставил мясо в запечатанной банке, личинки не появились. Личинки не появлялись, когда он оставлял мясо в банке, покрытой сетчатым экраном. Он принял меры предосторожности на тот случай, если для спонтанного зарождения по какой-то причине потребуется свежий воздух. Используя терминологию современной науки, мы говорим, что закрытая сеткой банка «учитывала» возможность того, что для спонтанного зарождения потребуется свежий воздух (рис. 3).

Рисунок 3: Эксперимент Франческо Реди со спонтанным зарождением с использованием банок с мясом. В первой банке с мясом, запечатанным пробкой, личинки на мясе не появлялись; во второй банке, покрытой сеткой, личинки на мясе также не появлялись; но в третьей банке без крышки личинки действительно появились на мясе и превратились в мух.

Поскольку сетчатый покров предотвращал появление личинок, это означало, что личинки произошли не от спонтанного зарождения, а просто из яиц взрослых мух. По стандартам экспериментальных методов современной науки это был элементарный эксперимент, но он был настолько хорош, насколько можно было дать оборудование, имевшееся во времена Реди.

Несмотря на результат своего эксперимента с личинками, Реди все еще верил, что более мелкие существа, называемые «галловыми насекомыми», произошли от спонтанного зарождения.В то же время развивающееся изобретение, микроскоп, позволило ученым сосредоточиться на существах еще меньшего размера: на микроорганизмах. Используя свой микроскоп, английский экспериментатор Джон Нидхэм заметил, что бульоны, приготовленные из мяса, изобилуют микроорганизмами, поэтому он сам проверил самозарождение (см. Наш модуль «Эксперименты в научных исследованиях»). Нидхэм нагрел бутылку с бульоном, чтобы убить любые микроорганизмы, и оставил бутылку на несколько дней. Затем он посмотрел на бульон под микроскопом и обнаружил, что, несмотря на более раннее нагревание, бульон снова содержал микроорганизмы (рис. 4а).

Рис. 4a: Эксперимент Нидхема со спонтанной генерацией. Нидхэм нагрел бульон, оставил его открытым на несколько дней, затем обнаружил в жидкости микроорганизмы.

По мнению Нидхэма, это открытие предполагало, что безжизненный бульон породил жизнь.Но другой ученый, итальянец по имени Лаззаро Спалланцани, подумал, что Нидхэм, должно быть, сделал что-то не так. Возможно, он не нагрел бульон до достаточно высокой температуры или достаточно долго. Чтобы выяснить это, Спалланцани провел собственный эксперимент. Он сварил бульон в двух бутылках, оставил одну бутылку открытой, а другую закрытой и обнаружил, что новые микроорганизмы появляются только в открытой бутылке. Его вывод: микроорганизмы попали в бутылку по воздуху; они не образовывались спонтанно в бульоне (рис. 4b).

Рисунок 4b: Спалланцани выполнил эксперимент Нидхема, но также протестировал бутылку с бульоном, которая была закрыта после кипячения. Он не обнаружил, что в закрытой бутылке микроорганизмы не росли.

Эксперименты, казалось бы, доказывающие или опровергающие спонтанное зарождение жизни, продолжались еще одно столетие.Из-за разницы между закрытыми и открытыми сосудами аргументы были сосредоточены на возможности того, что для самозарождения жизни может потребоваться свежий воздух. Таким образом, недостаток воздуха в закрытой бутылке Спалланцани мог быть фактором, искажающим результаты. Эта возможность привлекла внимание самого известного микробиолога 19–90–183– годов — современника Дарвина Луи Пастера.

Пастер был привлечен к этой проблеме, но, когда он был вовлечен, он знал, что ему необходимо контролировать возможность того, что воздух необходим для создания жизни из неживой материи.Для этого он сконструировал колбы с длинными, специально изогнутыми, похожими на лебеди горлышками. Это позволяло подвергать стерилизованный бульон свежему воздуху снаружи, но любые микроорганизмы из воздуха были бы пойманы в лужу воды на шее. (См. Наш модуль «Эксперименты в научных исследованиях» для получения дополнительной информации о планировании экспериментов.)

Стерилизованные бульоны в специальных колбах Пастера не были заражены микроорганизмами, несмотря на то, что находились на свежем воздухе (рис. 5).Итак, по прошествии более 24 веков гипотеза спонтанного зарождения была окончательно опровергнута.

Рис. 5: Пастер разработал колбы с длинными лебедиными горлышками, которые позволяли стерилизованному бульону взаимодействовать со свежим воздухом, но задерживали микроорганизмы в изогнутом горлышке колбы.

Это означало, что ученые больше не думали, что микроорганизмы или мелкие животные могут внезапно возникнуть без родителей, но это не мешало людям думать о жизни, происходящей из неживой материи. Публикация Пастером результатов его экспериментов, опровергающих спонтанное образование микроорганизмов, произошла в том же году, что и работа Дарвина «Происхождение видов ». Это привело к парадоксу. Во всем мире ученые были совершенно уверены в том, что эволюция действительно произошла, что все современные виды произошли от ранее существовавших живых форм.Однако что касается вопроса о том, как вообще зародилась жизнь, ученые только что опровергли единственное объяснение, которое у них было.

Идея пруда Дарвина была полностью спекулятивной. Невозможно было проверить это так, как он проверял естественный отбор в течение многих лет наблюдения за многочисленными видами. Итак, когда дело дошло до зарождения самой жизни, ученые эпохи Дарвина оказались в тупике. Все, что они могли сделать, это вскинуть руки или приписать это историям о сотворении своих религий.

Контрольная точка понимания

Опыты Спалланцани с бульоном в бутылках показали, что микроорганизмы

Старые и новые идеи

Помимо спонтанного зарождения, древние греки выдвинули еще одну идею происхождения жизни на Земле: панспермия. Ионический грек по имени Анаксагор (510–428 гг. До н.э.) считал, что жизнь пришла на Землю в виде ростков, которые пришли через космос из других миров.Часто люди думают о панспермии как о альтернативе идее жизни, возникающей из неживой материи, но на самом деле это не так. Вместо этого панспермия только перемещает происхождение жизни с Земли на другую планету или Луну и дальше назад во времени. Таким образом, после опровержения Пастером спонтанного зарождения мотивация определить, как началась жизнь, была сильнее, чем когда-либо.

К концу 19 века английский биолог Томас Генри Хаксли (1825–1895) ввел термин абиогенез для описания форм жизни, возникающих из неживых химических систем.При первом упоминании этого термина может показаться, что абиогенез — это просто более современный подход к спонтанному зарождению, но есть большая разница. Идея спонтанного зарождения заключалась в том, что определенные материалы, будь то мясо, зерно или грязь, способны постоянно производить какое-то существо. Хаксли имел в виду химические реакции жизни, медленно возникающие на ранней Земле в течение длительного периода времени. Хаксли знал, что смесь должна быть более сложной, чем дарвиновские аммиак и фосфорные соли, но не пытался вдаваться в подробности.Однако каким-то образом он считал, что оптимальная смесь простых химикатов генерирует сложные химические вещества, необходимые для жизни, такие как ферменты и самые ранние живые клетки.

Контрольная точка понимания

Абиогенез — это просто еще одно название спонтанного зарождения.

Абиогенез

Что касается того, как абиогенез мог происходить на изначальной Земле, серьезные размышления об этом начались в 1920-х годах, когда два ученых работали полностью независимо друг от друга.

В 1922 году русский биохимик Александр Опарин прочитал лекцию о происхождении жизни, которая была издана в виде буклета в 1924 году. В течение нескольких лет буклет не переводился с русского языка Опарина, поэтому его идеи были неизвестны за пределами страны. СССР. Тем временем британский биохимик Джон Бердон Сандерсон Холдейн (обычно известный по инициалам JBS Haldane) работал над аналогичными идеями. В отличие от своего русского коллеги, Холдейн и его работы были очень заметны.Он был великим популяризатором науки, сделав в начале 20 века то, что позже сделал астроном Карл Саган, сделав науку понятной и увлекательной для масс. Руки Холдейна были во многих областях науки о жизни. Он был автором десятков научных работ и провел много времени, объясняя свою работу и ее важность людям за пределами научного мира.

Что касается других вопросов биологии, Холдейн работал с ферментами, которые, по его мнению, находились на границе между живой и неживой химией.Следовательно, он предположил, что абиогенез происходит через сложный механизм с участием ферментов и вирусов. Ко времени Холдейна ученые выяснили, что атмосфера изначальной Земли представляла собой восстановленную атмосферу. Это означает, что он содержит восстановленные химические соединения углерода, такие как метан, в отличие от окисленных химических соединений, таких как диоксид углерода (который может присутствовать, но в гораздо меньших количествах по сравнению с метаном). Он также содержал водород, аммиак, немного водяного пара и, что немаловажно, не содержал кислорода.

Кислород может поступать только от организмов, которые осуществляют фотосинтез для производства собственной пищи. Такие организмы называют автотрофами. Холдейн рассуждал, что первыми клетками должны были быть гетеротрофы, организмы, которые получали пищу из окружающей среды. Метан — это газ, но другие простые органические соединения, сделанные из него, являются жидкими и пролились бы дождем на раннюю Землю. Они накапливались в виде луж на поверхности, образуя своего рода органический бульон, который стал известен как «суп Холдейна» (рис. 6).

Рисунок 6: Изображение Великого Призматического источника в Йеллоустонском национальном парке, среды, похожей на органический «суп», предложенный Холдейном. Изображение © Джим Пико, Служба национальных парков.

Из-за отсутствия кислорода в атмосфере ранняя Земля не хватало слоя озона, чтобы заблокировать мощное ультрафиолетовое излучение из космоса.Холдейн предположил, что ультрафиолетовое излучение из космоса, наряду с молнией, постоянно поражающей изначальный органический суп, доставляет энергию различным простым органическим соединениям. Это привело к разрыву и преобразованию химических связей между атомами молекул, создавая новые и разные молекулы, что приводило к чрезвычайно большим и сложным органическим молекулам. Холдейн предположил, что это происходило в течение миллионов лет, пока, наконец, не возникла молекула, которая могла грубо копировать себя, используя другие молекулы в «супе» в качестве строительных блоков.

Молекулы, которые могли копировать лучше, чем их соседи, размножались и постепенно преобладали в супе. Некоторые из этих самокопирующихся молекул оказались окружены своего рода барьером, предшественником того, что мы называем мембраной. Это произошло случайно, поэтому это было очень редко, но когда это действительно происходило, объяснил Холдейн, замкнутые самокопирующие молекулы имели огромное преимущество в выживании. Итак, они пришли к власти, съели суп, и жизнь началась.

Идея Холдейна была чисто гипотетической. Его еще никто не тестировал, но он был гораздо более сложным, чем идея Дарвина о фосфорной соли. Более того, это полностью соответствовало состоянию науки 1920-х и 30-х годов в отношении химии ранней Земли. Затем, в 1936 году, произведение Опарина было окончательно переведено с русского. Оказалось, что он предлагал почти то же, что и Холдейн, поэтому идея стала известна как гипотеза Опарина-Холдейна.

Контрольная точка понимания

Изначальная Земля не имела озонового слоя, потому что в атмосфере не было ________.

Помещение древней Земли в лабораторию

Что касается проверки гипотезы Опарина-Холдейна, то эта роль выпала на долю аспиранта Стэнли Миллера. В начале 1950-х Миллер искал дипломную работу на химическом факультете Чикагского университета.В 1952 году его академический наставник, профессор и лауреат Нобелевской премии Гарольд Юри предложил ему попробовать проверить происхождение живых молекул. Это означало воссоздать атмосферу, которая, по мнению ученых, существовала на исконной Земле: водород, метан, аммиак и вода. Это также означало обеспечение того, что, по мнению Холдейна, заложило основу для создания более сложных молекул, необходимых для жизни: молнии и ультрафиолетового света.

Как только древняя атмосфера была создана и помещена в колбу, Миллер и Юри подвергли смесь мощному ультрафиолетовому свету.Они также поместили электроды внутрь колбы и пропустили через устройство электрический ток, создавая искры, имитирующие молнию, которая взаимодействовала с газами в колбе. Через несколько дней они проверили содержимое жидкости, скопившейся на дне аппарата (рис. 7). Они обнаружили, что были созданы разные молекулы, включая различные важные биологические молекулы, такие как аминокислоты глицин, аланин и валин. Они проводили эксперимент снова и снова, и, в зависимости от того, как они меняли газовую смесь, были созданы различные разновидности аминокислот и других биологических молекул.Это показало, что биологически важные молекулы могут формироваться на планете в абиотических условиях.

Рисунок 7: Эксперимент Миллера и Юри по проверке гипотезы Опарина-Холдейна путем воссоздания атмосферы ранней Земли и добавления ультрафиолетового света и электрических токов.

С годами, по мере того как Миллер продвигался по карьерной лестнице, ученые, изучающие атмосферы планет и древнюю Землю, сомневались в ее изначальной атмосфере. Возможно, в нем не преобладали метан, водород и аммиак, и, возможно, он мог быть более окисленным, чем восстановленным. Но по мере того, как теории о древней атмосфере были уточнены, Миллер попробовал вариации своего первоначального эксперимента с отрегулированными газовыми смесями. Хотя химические продукты менялись с каждой новой смесью, в каждом случае они включали жизненно важные для жизни соединения, такие как аминокислоты или азотистые основания, строительные блоки, необходимые для создания ДНК и РНК.Возникший ответ, казалось, заключался в том, что почти независимо от того, какова точная смесь и условия, в результате будут возникать сложные органические молекулы.

Контрольная точка понимания

Что образовалось, когда в колбе с водородом, метаном, аммиаком и водой возникла электрическая искра?

После эксперимента Миллера-Юри: исследование белков и мембран

В то время как идеи о первичной атмосфере Земли постоянно менялись с 1970-х годов, исследования внешней части Солнечной системы НАСА открыли некоторые удивительные вещи о лунах, вращающихся вокруг Юпитера и Сатурна.В частности, космические зонды Voyager 1 , Voyager 2 и Cassini и зонд для входа в атмосферу спутника Сатурна Титан под названием Huygens показали точный состав атмосферы Титана. Это вдохновило других ученых, таких как Карл Саган, на повторение эксперимента Миллера 1952 года с атмосферной смесью Титана. Это также произвело важные биологические соединения. Таким образом, сегодня луна Титан является основным объектом астробиологических исследований в Солнечной системе.Он может иметь экзотические формы жизни или может быть моделью того, какой была Земля до появления жизни.

Через несколько лет после первоначального эксперимента Миллера-Юри другой исследователь, Сидни Фокс, провел эксперименты, показывающие, что некоторые из соединений Миллера-Юри — аминокислоты — могут соединяться вместе с образованием полимеров, более крупных молекул, известных как пептиды, или небольших белков. . Это произошло, когда аминокислоты, полученные с помощью механизма Миллера-Юри, были разбрызганы на поверхности глины и других материалов в горячих и сухих условиях.На древней Земле такие условия возникли бы на границе между древними прудами или морями и древней землей. По прошествии достаточного времени могут возникнуть сложные белки.

Позже другие исследователи обнаружили, что липидные сферы (класс органических молекул, включающих жиры) также могли образовываться в условиях, которые, как считалось, существовали на древней Земле. Это создаст водную среду внутри сферы, отделенную от внешней стороны.Другими словами, неочищенные мембраны могут образовываться спонтанно в тех же условиях, в которых могут образовываться биологические соединения, такие как аминокислоты и небольшие белки. Тот факт, что мембраны могут образовываться спонтанно, является ключом к истокам исследований жизни. Это связано с тем, что для перехода от неживой химии к биологии должны возникнуть очень сложные сети химических реакций. Подобно автомобилю, который производится на конвейере, биологические молекулы собираются секция за секцией. Они также преобразуются в разные молекулы секция за секцией, поэтому существует ряд промежуточных химических веществ в дополнение к исходной молекуле (называемой субстратом) и конечному продукту каждой реакции.

В открытой среде, такой как изначальный суп Холдейна, или в океане, различные промежуточные соединения просто диффундируют, прежде чем химический путь сможет развиться. Но мембрана заключит все химические вещества в отсек. Тогда это отделение будет действовать как химическая лаборатория, удерживая внутри любые реакции, которые могут произойти. Поскольку мы знаем, что мембранные сферы могут образовываться самопроизвольно, в изначальном супе ранней Земли, должно быть, были миллиарды этих маленьких химических лабораторий, в которых шла химия жизни.

Контрольная точка понимания

Почему мембраны так важны для изучения происхождения жизни?

Перемещение в мир ДНК

Демонстрация того, что биологические молекулы и мембраны могут возникать в абиотической среде, не является демонстрацией возникновения жизни. Он показывает только то, что могло произойти при переходе от неживой химии к окончательному формированию жизни.Однако это показывает, что необходимый шаг в абиогенезе — спонтанное появление сложных органических молекул — не только возможно, но и вполне вероятно при правильных условиях.

Теоретически непрерывная перестройка и построение все более и более крупных органических молекул из химических строительных блоков, которые могли бы образоваться на ранней Земле, в конечном итоге должны привести к молекулам, которые могут копировать сами себя. Это потому, что чем больше становится органическая молекула, тем больше в ней функциональных химических групп.означает, что просто по счастливой случайности любая случайная, очень большая органическая молекула с большим количеством атомов азота, кислорода и фосфора может обладать некоторой ферментативной способностью, то есть способной катализировать химические реакции.

Определенный набор реакций, катализируемых молекулой, может привести к тому, что молекула будет копировать себя. Таким образом, с большим количеством строительных материалов в супе Холдейна со временем, вероятно, возникнут самовоспроизводящиеся молекулы.Первая самовоспроизводящаяся молекула будет обладать лишь грубой способностью к копированию. Но поскольку она не будет копировать себя в точности, каждая новая «копия» будет немного отличаться от «родительской» молекулы. Случайным образом вновь скопированная молекула может иметь способность копировать немного лучше, чем молекула, которая ее создала. Тогда естественный отбор работал бы с неживыми химическими молекулами, подобно тому, как Дарвин описал его работу с живыми организмами. Те молекулы, которые копируют лучше, будут делать больше копий, используя строительные блоки, взятые из распада других молекул, которые не могут копировать себя так хорошо.

Самокопирующие молекулы, заключенные в мембраны, будут работать даже лучше, потому что они будут удерживаться вместе с другими химическими веществами. Но для того, чтобы жизнь действительно зародилась, должна существовать молекула с чрезвычайно хорошей копирующей способностью. Сегодня есть такая молекула: ДНК. Однако ДНК невероятно сложна, и это создает дилемму типа курицы и яйца.

В 1980-х годах ученые начали понимать, что не все ферменты являются белками.Ученые проанализировали некоторые клеточные компоненты, называемые рибосомами, и обнаружили, что они состоят из белка и РНК. Что было странно, так это то, что некоторые молекулы РНК на самом деле работают как ферменты. Они могут катализировать химические изменения в себе и в других молекулах РНК.

Подобно ДНК, РНК может содержать генетическую информацию, но РНК менее сложна, чем ДНК (рис. 8). Следовательно, гипотеза, названная «миром РНК», была независимо предложена тремя разными исследователями: Лесли Оргелом, Фрэнсисом Криком и Карлом Вёзе.Сегодня это краеугольный камень в истоках исследований жизни. Идея состоит в том, что РНК возникла на Земле до ДНК и была генетическим материалом в первых клетках (или в первых клетках в другом мире, если жизнь зародилась где-то в другом месте).

Рисунок 8: Сравнение рибонуклеиновой кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Сегодня ни одна известная бактериальная клетка или другая полноценная форма жизни не использует РНК так, как мы используем ДНК, в качестве молекулы для хранения генетической информации.Но есть РНК-вирусы. Не все вирусы являются РНК-вирусами; некоторые используют ДНК для хранения генетических инструкций, как и наши клетки. Но если РНК подходит в качестве единственного генетического материала в некоторых вирусах, легко представить себе, что РНК также является единственным генетическим материалом у ранних бактерий или других одноклеточных существ, которые могли существовать на ранней Земле.

Нетрудно представить, как мог происходить переход от РНК к ДНК. Как и в случае с эволюцией всего остального, здесь были бы ошибки.В современных живых организмах ДНК хранит генетическую информацию в течение длительного времени, а последовательности ДНК транскрибируются в последовательности РНК, которые затем используются для объединения последовательностей аминокислот в белки (см. Наш модуль «Экспрессия генов: обзорный модуль»). По сути, ДНК — это дополнительный слой помимо РНК и белков, которые производит РНК. Последовательности РНК могли быть генами до того, как ошибка создала ДНК. Будучи более стабильной в химическом отношении, чем РНК, ДНК взяла на себя работу по хранению генетической информации. Это дало РНК шанс лучше преобразовать генетическую информацию в белки.

Это было бы огромным шагом в эволюции жизни. Это также означало бы, что жизнь здесь не сразу. Скорее, абиогенез происходил постепенно или шаг за шагом во время пребиотической химической эволюции. Таким образом, сущности должны были существовать в диапазоне от неживых до живых, точно так же, как современные вирусы обладают характеристиками как живых, так и неживых существ. Мы не знаем точного пути абиогенеза, но ученые разработали каждый из основных шагов, необходимых для перехода от неживой химии к самоподдерживающимся клеткам.Важно отметить, что ученые также провели лабораторные эксперименты, демонстрирующие, что каждый шаг возможен. В отличие от времен Анаксимандра, Дарвина или даже Холдейна, на пути абиогенеза нет больших дыр или теоретических препятствий. Ученые хорошо представляют, как это могло произойти. Тем не менее, если говорить о деталях каждого основного шага, именно здесь наука сейчас сосредоточена на получении некоторых ответов.

Сводка

С доисторических времен люди размышляли о том, как возникла жизнь.Этот модуль описывает исследования происхождения жизни в истории, включая эксперименты Луи Пастера, которые опровергли давнюю идею спонтанного зарождения, а также более поздние исследования, показывающие, что появление биологических молекул из неживой среды — или абиогенез — не только возможно, но, вероятно, при правильных условиях.

Ключевые концепции

• Теории происхождения жизни так же древны, как и человеческая культура. Греческие мыслители, такие как Анаксимандр, считали, что жизнь возникла из спонтанного зарождения, идеи о том, что маленькие организмы спонтанно возникают из неживой материи.

• Теория спонтанного зарождения была оспорена в 18-19 веках учеными, проводившими эксперименты по росту микроорганизмов. Луи Пастер, проведя эксперименты, которые показали, что свежий воздух является причиной роста микроорганизмов, эффективно опроверг теорию спонтанного зарождения.

• Абиогенез, теория о том, что жизнь произошла из неживых химических систем, заменила спонтанное зарождение в качестве ведущей теории происхождения жизни.

• Холдейн и Опарин предположили, что «суп» из органических молекул на древней Земле был источником строительных блоков жизни. Эксперименты Миллера и Юри показали, что вероятные условия на ранней Земле могли создать необходимые органические молекулы для появления жизни.

• РНК, а в результате эволюционных процессов ДНК и разнообразие жизни, как мы ее знаем, вероятно, образовались в результате химических реакций между органическими соединениями в «супе» ранней Земли.

• NGSS

• HS-C4.2, HS-C4.3, HS-ESS2.E1

Дэвид Вармфлэш, доктор медицины, Натан Х. Ленц, доктор философии «Истоки жизни I» Visionlearning Vol. БИО-4 (6), 2016.

Теорий происхождения жизни на Земле

2 января 2021 Гаураб Карки Зоология 0

Теории происхождения жизни на Земле

Происхождение Земли: гипотеза

• Предполагается, что жизнь зародилась около 5-6 миллиардов лет назад.
• Две гипотезы были предложены для происхождения Земли:
• 1. Планетезимальная гипотеза:
  • Она предполагает, что происхождение Земли произошло как часть, отколовшаяся от расплавленной массы Солнца.
• 2. Небулярная гипотеза:
  • Это наиболее общепринятая гипотеза происхождения Земли.
  • Предполагается, что Земля образовалась в результате постепенной конденсации межзвездной пыли или космической пыли, называемой туманностью.
  • Около 10000-20000 миллионов лет назад присутствовала высококонденсированная масса космического вещества, называемая илем, которая включала нейтрон, протон и электроноподобные частицы.
  • Взрыв космического вещества привел к образованию множества осколков, называемых туманностями.
  • Этот взрыв космического материала был назван Большим взрывом, так называемой теорией большого взрыва.
  • Согласно небулярной гипотезе вначале, это был вращающийся шар из горячих газов и паров элементов.
  • Однако из-за постепенного охлаждения происходит конденсация газов в твердую форму и расслоение в соответствии с их плотностью.
  • Элементы, такие как тяжелые металлы, никель, железо, цинк и т. Д., Поступили в центр, чтобы сформировать ядро.
  • Более легкие элементы, такие как алюминий, кремний, сера и т. Д., Составляли мантию и кору земли.
  • Самые легкие и газообразные вещества, такие как водород, гелий, углерод, азот, кислород, образующиеся в атмосфере.

Теории происхождения жизни:

• Различные теории предлагались разными биологами в разные периоды, некоторые из важных теорий перечислены ниже:

1.Теория особого создания:

• Эта теория утверждает, что вся вселенная была создана сверхъестественной силой, богом.
• Это было предложено Hebrew et. al. и в значительной степени поддерживался отцом Суаресом.
• Согласно христианству, Бог создал всю вселенную за шесть дней. Земля и небо были созданы в первый день, небо во второй день, земля и растения сформировались в третий день, солнце, луна и звезды в четвертый день, рыбы и птицы в пятый день и животные, включая людей на шестой день.
• Адам был первым мужчиной, а первой женщиной была Ева.
• Согласно индуистской мифологии, Бог Брахма создал жизнь одним махом.
• Первым мужчиной был Ману, а Шрадха была первой женщиной.
• Из-за отсутствия научных объяснений эта теория была отвергнута.

2. Теория спонтанного зарождения (абиогенез):

• Эта теория предполагает, что живая форма возникла спонтанно из неживых материалов, таких как навоз, грязь, земля и т. Д.
• Фон Гельмонт предложил эту теорию и был поддержан Анаксименом и Аристотелем.
• Согласно этой теории, насекомые произошли от росы, лягушек и жаб с илистого дна прудов, личинок из разлагающегося мяса, ленточных червей из экскрементов животных и микроорганизмов из воздуха или воды.
• Однако Франсиско Реди (1668), Луи Пастер (1864) и Спалланцани (1765) экспериментально отвергли концепцию абиогенеза.

3. Теория биогенеза:

• Предполагается, что жизнь возникает только из уже существовавшей жизни.
• Эта концепция подтверждается следующими экспериментами.
• i) Эксперименты Реди:
  • Итальянский врач Франсиско Реди (1668) поместил по кусочку вареного мяса в каждую из трех отдельных кувшинов.
  • Одна банка была покрыта пергаментной бумагой, другая — муслиновой тканью, а одна оставалась открытой.
  • Он обнаружил, что личинки росли только в открытом сосуде.
  • Только в открывшейся банке слиплись мухи и откладывали яйца, из которых выросли личинки.
  • Реди пришел к выводу на основе вышеупомянутого эксперимента, что жизнь может происходить только из уже существующей жизни, а не из неживых субстанций.
• ii) Эксперименты Спалланцани:
  • В восемь бутылок Lazaaro Spallanzani (Италия) поместил настой сена, а затем его кипятили, чтобы сделать его стерильным.
  • Четыре бутылки он держал герметичными, четыре из которых были закрыты пробкой.
  • Через несколько дней в неплотно закупоренных бутылках был обнаружен плотный рост микроорганизмов, тогда как в герметичных бутылках не было обнаружено развития организмов.
  • Был сделан вывод, что воздух состоит из микроорганизмов и является источником загрязнения.
• iii) Эксперименты Пастера:
• В 1864 году французский биохимик Луи Пастер провел эксперимент в пользу идеала биогенеза.
• Он использовал колбу, горлышко которой изогнуто в форме буквы «S» под действием тепла, и наполнил почти половину колбы питательным раствором.
• Затем кипятили несколько часов, чтобы убить все микроорганизмы.
• Он запечатал трубку и оставил аппарат в покое на несколько дней.
• Никаких признаков жизни в колбе не обнаружено.
• Однако, когда горлышко колбы сломалось, появились микроорганизмы.
• Отсюда Луи Пастер пришел к выводу, что жизнь может возникнуть только из уже существовавшей жизни.

4. Космозойская теория:

• Эта теория утверждает, что жизнь в форме спор или семян, называемых панспермией, произошла с какой-то другой планеты на Земле.
• Рихтер (1865) предложил эту идею, и Аррениус ее поддержал.
• Но эта гипотеза не может понять, почему панспермия, включая высокие температуры и множество вредных излучений, могла выжить в неблагоприятных условиях на Земле в то время.

5. Современная или хемосинтетическая теория происхождения жизни (научная гипотеза):

• Ученые теперь признают, что невозможно создать жизнь спонтанно.
• Особые требования к внешнему виду очень важны.
• T.H. Хаксли и Джон Тиндалл утверждали, что неорганические химические вещества могут производить жизнь.
• Но поскольку знания биохимии в то время были недоступны, их идеи были расплывчаты.
• Эту идею предложил российский биохимик А.И. Опарина (1923) и с Ж. Помощь Холдейна.
• В своей книге «Происхождение жизни на Земле» в 1936 году они предложили обширное описание происхождения жизни путем эволюции или химических веществ.
• Поэтому ее часто называют теорией Опарина и Холдейна.
• Согласно этой теории, в результате серии химических реакций около 4,2 миллиарда лет назад жизнь возникла в воде на примитивной Земле из химических веществ, что называется биохимической теорией происхождения жизни.
• Ее часто называют современной синтетической теорией происхождения жизни.
• Эту теорию можно описать тремя основными этапами: хемогенез, биогенез и когогения.

i. Chemogeny :

• Он включает создание сложных органических молекул из основных химических веществ, таких как полисахариды, жиры, полипептиды, нуклеиновые кислоты и т. Д.
• Различные хемогенные фазы следующие:
• a . Формирование примитивной атмосферы:
  • Примитивная атмосфера Земли состояла из таких элементов, как N, H, O, C и т. Д.
  • Земля в то время была огненным вращающимся шаром горячих газов и производила дикарбон, циноген, карбид металла. и т.д.
  • Кислород присутствовал не в свободном состоянии, а в виде оксидов алюминия, бора, водорода и т.д.
• b. Образование неорганических соединений:
  • Химическая эволюция благоприятствовала, когда температура примитивной земли упала ниже.
  • Самыми распространенными были атомы водорода.
  • Они связываются со всем доступным кислородом с образованием воды.
  • Все они соединяются с атомами азота и углерода с образованием аммиака и метана соответственно.
    • 2H + O → H ₂ O (вода)
    • 3H + N → NH ₃ (аммиак)
    • 4H + C → CH ₄ (метан)
• c. Образование простого органического соединения:
  • По мере охлаждения земли образовывалась твердая кора, которая позже образовывала впадины и возвышенности.
  • Тем временем пары атмосферной воды накапливались и в конечном итоге в виде дождя выпадали на поверхность земли.
  • Во впадинах скопившаяся вода растворяла минералы и в конечном итоге нашла большие водоемы, называемые океанами.
  • Если поверхность земли охлаждается до 50 ^o C-60 ^o C, неорганические молекулы объединяются с образованием простых органических соединений, таких как ацетилен, этилен, этан, метан и т. Д. В различных формах.
    • CH + CH → HC = CH (ацетилен)
    • CH ₂ + CH ₂ → H ₂ C = CH ₂ (этилен)
    • CH ₂ + CH ₂ → C + CH ₄ (метан)
• д.Образование сложных органических соединений
  • Как и ранее, насыщенные и ненасыщенные углеводороды смешивались и рекомбинировались в различных формах с образованием сложных органических соединений, таких как ацетальдегид, альдол, этилацетат, уксусная кислота, этиловый спирт, аминокислоты, гликоль и т. Д. в процессе конденсации, полимеризации и восстановления оксидов.
  • Реакции конденсации:
    • HC≡ CH + H ₂ O → CH ₃ CHO (ацетальдегид)
    • CH ₃ CHO + CH ₃ CHO → CH ₃ CHOHCH2 _{2 2 (альдол)}
  • Окислительное восстановление:
    • CH ₃ CHO + H ₂ O → CH ₃ COOH + C ₂ H ₅ OH
    • CH ₃ COOH + C ₂ H ₅ OH → CH ₃ COOCH ₃ CH ₂ + H ₂ O
    • CH ₂ OHCOOH + NH _{3 2 NH 2 COOH + H 2 O}
  • Источниками энергии для вышеуказанных реакций были ультрафиолетовые лучи, извержения вулканов, электрическая энергия, вырабатываемая во время молнии.
  • Сложные органические соединения, образовавшиеся в океане, постепенно собирались в первобытном океане.
• e. Образование углеводов, белков и жиров:
  • В конце концов, примитивный океан полимеризовал аминокислоты, сахара, глицерин, жирные кислоты и т. Д., Образуя массивные макромолекулы, такие как белки, углеводы и жиры.
  • Поскольку эти комплексные соединения являются ключевыми составляющими протоплазмы живых клеток, возможности происхождения жизни в примитивном океане были установлены путем их синтеза.
  • Тем временем углеводород прореагировал с образованием азотных оснований, пуринов и пиримидинов с синильной кислотой горячего водяного пара и аммиаком.
  • Океаническая вода превращается в богатую смесью органических соединений, которую Халдейн называет горячим разбавленным супом или изначальным супом или бульонами, в результате указанной выше химической реакции.

ii. Биогения :

• Следующим шагом после хемогенеза является биогенез.
• Биогенез относится к формированию первобытной жизни.
• Биогенез состоит из следующих событий:
• a. Образование нуклеиновых кислот и нуклеопротеинов:
  • Органические соединения вступили в реакцию и агрегировали с образованием новых молекул большего размера и сложности в изначальной воде, органическом супе.
  • Азотные основания в сочетании с сахаром и фосфатом с образованием нуклеотидов при высоких температурах в примитивной почве во время химических реакций.
  • Большое количество нуклеотидов в различных комбинациях соединяются вместе с образованием очень сложных молекул, называемых нуклеиновыми кислотами.
  • Нуклеиновые кислоты имеют тенденцию к репликации.
• б. Образование коацерватов:
  • Из-за межмолекулярного притяжения сложные органические соединения первичного супа собираются с образованием крупных коллоидных клеток, таких как агрегаты, называемые коацерватами или микросферами.
  • Такие коацерваты, обладая силой роста и разрушения, были эффективны и увеличивались.
  • Образование коацервата называется коацервацией.
• с.Формирование первичного организма:
  • Примерно 3,8 миллиарда лет назад, согласно данным Oparincoacervates, которые приобрели нуклеопротеины либо из морской воды, либо в результате синтеза самих себя, были созданы первые клеточные организмы, названные эобионтами, предклетками или протобионтами.
  • Внешние ограничивающие мембраны образованы определенными жирными кислотами, имеющими сильное сродство к воде.
  • Как при положительных, так и при деструктивных реакциях некоторые формы белков эобионтов начали действовать как ферменты.
  • Эобионты были идентичны протовирусу, современному вирусу.
  • Были анаэробные и прокариотические хемогетеротрофы.

iii. Cognogeny:

• Присутствует диверсификация основных видов, ведущих к различным образам жизни.
• а. Происхождение автотрофов:
  • Поскольку количество хемогетеротрофов постоянно увеличивалось, они поглощали органические питательные вещества, способствуя сокращению естественных запасов пищи в океане.
  • Таким образом, первобытные организмы начали синтезировать органические соединения, в большом количестве присутствующие в море, из неорганических молекул.
  • Анаэробный распад химических веществ из-за отсутствия хлорофилла обеспечивает энергию, необходимую для синтеза органических продуктов питания.
  • Следовательно, они были хемоавтотрофами, такими как нитрифицирующие бактерии, серобактерии, железобактерии и т. Д.
    • 6CO ₂ + 12H ₂ S → C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6H ₂ O + 12S
  • Позже некоторые автотрофные прокариоты образовали зеленое вещество из морского порфирина магния, называемое бактериохлорофиллом, и начался фотосинтез.
  • Это привело к созданию фотоавтотрофов, таких как современные морские планктонные бактерии.
  • Поскольку они не использовали воду для фотосинтеза, у них был кислородный голод.
    • 6CO ₂ + 12H ₂ S → солнечная энергия C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6H ₂ O + 12 Бактериохлорофилл
  • До этого времени свободный кислород отсутствовал Атмосфера.
  • За это время хлорофилл бактерий претерпел молекулярные изменения с образованием настоящего хлорофилла, и, следовательно, возникли настоящие фотоавтотрофы.
  • Эти фототрофы синтезировали пищу путем фотосинтеза, используя воду в качестве сырья.
  • Цианобактерии были первыми кислородными и аэробными фотоавтотрофами, появившимися около 2700 миллионов лет назад.
    • 6CO ₂ + 6H ₂ O → C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂
• б. Происхождение эукариот:
  • Настоящие фотосинтетические прокариоты перешли к аэробному дыханию.
  • Затем цианобактерии развили истинное ядро, подобное прокариотам, и превратились в эукариот.
  • Это было похоже на современные одноклеточные виды.
  • Многоклеточные виды произошли от одноклеточных организмов в процессе колонизации.

Доказательства происхождения жизни: Эксперимент Миллера-Юри

• В 1953 году Стэнли Миллер и Гарольд Юри провели эксперимент по проверке гипотезы биохимического происхождения жизни, предложенной Опарином и Холдейном.
• Эксперимент Миллера-Юри:
  • Миллер сконструировал аппарат из стеклянной трубки и колбы, названный аппаратом искрового разряда.
  • Аппарат изобразил примитивные земные условия, включая восстановительную атмосферу и океан.
  • Смесь газов метана, аммиака и водорода поддерживалась в газовой камере в соотношении 2: 2: 1 и воды в другой камере.
  • Газовая смесь прокачивалась через аппарат, а энергия подводилась с помощью электродов в газовой камере, кипящей воды и электрических искр.
  • Эксперимент начинается с включения источника электричества и кипячения воды и продолжается неделю.
• Наблюдение:
  • Они заметили конденсированную жидкость темного цвета.
  • Он был собран и хроматографически проанализирован, и было обнаружено, что жидкость представляет собой смесь сахаров, аминокислот (глицин, аналин и т. Д.) И жирных кислот.
• Заключение:
  • Экспериментальные результаты подтверждают теорию Опарина-Холдейна о происхождении жизни, согласно которой органические молекулы создаются из неорганических молекул в ходе зарождения жизни.

Проблемы с химическим происхождением теорий жизни

ПРОБЛЕМЫ С ХИМИЧЕСКИМ ПРОИСХОЖДЕНИЕМ ТЕОРИЙ ЖИЗНИ Основано на докладах в Университете Южной Каролины, 16 апреля 93 г. и 3 апреля 95 г. Авторские права, 1998 г., Эмерсон Томас МакМаллен (приблизительно 11 знаков с двойным интервалом страниц) Abstract

Главный вопрос, касающийся происхождения жизни, заключается в том, произошло ли это естественным путем или в результате творения. В ХХ веке А.И. Опарин и Дж.Б.С. Холдейн предоставил теоретическое обоснование натуралистического происхождения жизни. Предполагаемое экспериментальное свидетельство, эксперимент Миллера доминировал в дискуссиях на протяжении десятилетий, но имеет много слабых мест. Одна проблема для всех натуралистических объяснений — это источник информации в ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Каким бы ни был предложенный путь, математические расчеты показывают, что жизнь не может существовать естественным путем. Лучшее объяснение происхождения жизни, а также ее детальной генетической информации, хранящейся в сложных молекулах, — это создатель.

Предпосылки

Эксперименты Луи Пастера и других, казалось, полностью положили конец древней идее спонтанного возникновения жизни. Однако на рубеже веков спонтанное зарождение начало возвращаться в качестве научной теории. Это произошло благодаря открытиям в биохимии, особенно в области белков и вирусов. (Большинство современных биологов говорят, что вирус — не настоящая жизнь, потому что для жизни у него должна быть клетка. Некоторые описывают его «на границе живого и неживого».) Одним человеком, вдохновленным этими открытиями в области биохимии, а также движимым материалистическим мировоззрением, был советский биолог Александр Иванович Опарин (1894-1980). В 1920-х и 30-х годах он развил идею химического возникновения жизни. Опарин утверждал, что по мере того, как химические вещества со временем смешивались, они образовывали более сложные химические вещества. Со временем они образовали еще более сложные органические химические вещества. В конце концов, появилась жизнь, но ни на каком этапе этого развития нельзя было сказать, где произошел резкий переход от неживого к живому.Жизнь возникла постепенно, в течение длительного периода времени, от химического начала. Британский ученый, Дж. Б. С. Холдейн, независимо пришел к аналогичной идее и считал, что зарождение жизни происходит в горячем разбавленном супе.

Опарин знал, что его теория не поддается опровержению. Поэтому, по мысли покойного Карла Поппера, это нельзя считать научным. В лучшем случае мы можем сказать, что он предлагал руководящую идею, поскольку она не поддается проверке (между прочим, существует проблема с большинством теорий происхождения).До 1953 года не было даже намека на научную поддержку химического появления теории жизни. Затем аспирант Стэнли Миллер опубликовал результаты эксперимента, которые, казалось, подтвердили идеи Опарина. Эксперимент Миллера доминировал в дискуссиях о химическом происхождении жизни в течение трех десятилетий.

Эксперимент Миллера

Профессор Миллера, Гарольд Юри, читал лекцию о том, как на Земле могла быть другая атмосфера, и что, возможно, жизнь образовалась из-за этой атмосферы.Миллер исследовал идею в лаборатории. Схема его устройства показана на рисунке 1. Он создал поток воды вокруг стеклянного контура, нагревая его до тех пор, пока не будут выделяться пары (B), а затем охладив (D). К водяному пару он добавил аммиак, метан и водород (E) и электрически зажег эту газовую смесь (A). Одним из продуктов возникшей реакции была желтоватая смесь, покрывающая стекло. Когда он извлек образец из воды на дне петли (отрезан в точке C) и исследовал его, Миллер обнаружил другой продукт: аминокислоты.Аминокислоты содержатся в нашем организме и являются строительными блоками для других более сложных органических материалов. Некоторые интерпретировали этот эксперимент как поддержку идеи Опарина о химическом возникновении жизни. Оказалось, что Миллер показал первый шаг в теории возникновения Опарина, которая перешла от химических веществ к простой органике. В каком-то смысле это не так уж удивительно, потому что, начиная с 1828 года с Фридрихом Велером, химики синтезировали органические соединения из неорганических веществ. В этом смысле все, что сделал Миллер, — это синтезировал органическое соединение — в этом не было ничего сенсационного.Однако уникальность этого эксперимента заключается в том, что он поддерживает теорию Опарина. В некотором смысле это одна из сильных сторон эксперимента Миллера.

Еще одним преимуществом является то, что историю можно вывести из эксперимента Миллера: аминокислоты, смешиваясь в океанах, создают то, что было названо органическим супом. Некоторые думали, что из этого органического супа следующие шаги в теории Опарина также произошли до тех пор, пока в конце концов не появилась жизнь. Третья сильная сторона эксперимента Миллера состоит в том, что его легко понять и объяснить.Это простой эксперимент и простая аналогия: на ранней Земле была атмосфера из водорода, метана, аммиака и водяного пара. Молния образовала аминокислоты, и это стало первым шагом в возникновении жизни на Земле. Эксперимент вселяет уверенность в правдоподобность такого сценария. Это было в далеком 1953 году. С тех пор многое произошло, и это плохо сказалось на истории о натуралистическом происхождении.

Слабые стороны эксперимента Миллера

Первоначально эксперимент Миллера получил признание благодаря сильным сторонам, упомянутым выше.Однако по мере продолжения исследований возникли недостатки. Во-первых, никто не мог придумать хорошее натуралистическое объяснение крана, когда Миллер удалял аминокислоты из петли. Если кто-то не отстегивает аминокислоты, они возвращаются по петле к искре, которая затем их уничтожает. Миллер не мог оставить аминокислоты в петле; скорость разрушения искры больше, чем скорость образования, и органика никогда не накапливается. Он должен был удалить их; но какой аналог в природе для этого?

Еще более слабым местом является предположение, что ранняя атмосфера состояла из водорода, метана, аммиака и воды.Доказательств этому нет. Фактически, какие доказательства существуют (например, окисленные горные породы), указывают на то, что на ранней Земле была кислородная атмосфера. Этот факт является плохой новостью для натуралистического сценария, потому что, если в петле Миллера есть кислород, эксперимент вообще не состоится. Кислород останавливает холод. Несмотря на то, что нам нужен кислород, чтобы жить сегодня, кислород в прошлом препятствовал бы образованию аминокислот. Кроме того, атмосферный кислород сегодня образует защитный озоновый слой. Если бы в атмосфере ранней Земли не было кислорода, то не было бы озонового слоя, и ультрафиолетовые лучи хлынули бы внутрь, уничтожая любую жизнь, которая действительно существовала.Эти вредные лучи также уничтожат любую жизнь, прибывшую из космоса.

Еще одна слабость эксперимента Миллера заключается в том, что водород является самой легкой молекулой и, следовательно, обладает высокой диффузионной способностью. Гравитационное поле Земли недостаточно сильное, чтобы удерживать водород, и он легко диффундировал бы из нашей атмосферы. Так что не было бы возможности помочь в образовании аминокислот. (Только на больших планетах, таких как Юпитер и Сатурн, гравитации достаточно, чтобы удерживать водород, но это не так на меньших планетах.) Кроме того, аммиака и метана в атмосфере не осталось бы. Через несколько тысяч лет они были бы уничтожены химической реакцией, вызванной солнечным светом. Так что их тоже не было бы, чтобы приготовить предполагаемый органический суп. Солнечный свет в предполагаемой атмосфере типа Миллера подобен быку в посудной лавке — там много энергии, но большая ее часть разрушительна.

Если бы существовал органический суп, то следующей слабостью была бы чрезвычайно низкая вероятность образования ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) и других крупных сложных молекул из супа.На рисунке 2 изображена молекула ДНК. (Подробнее о ДНК см. В разделе о ДНК моей статьи «Наука и аборты»). За более чем 40 лет дальнейшие эксперименты не показали, что аминокислоты естественным образом образуют что-то более сложное. (Я дам точные вычисления для этих вероятностей в конце этой статьи.)

С образованием сложных молекул связано информационное содержание нашей ДНК. Откуда взялись генетические коды, которые нас породили? Также этот генетический код работает только при наличии рибосом, активирующих ферментов, транспортной РНК (рибонуклеиновой кислоты) и т. Д.Как все это произошло естественным образом — большая нерешенная проблема.

Одна из самых слабых сторон эксперимента Миллера (и других натуралистических объяснений) заключается в том, что он не объясняет того факта, что в нашем организме содержится только L-аминокислота. Большинство аминокислот могут иметь две разные формы: «L» и «D.» Существует левосторонняя форма аминокислоты «L» и правая форма «D.» Одна форма вращает поляризованный свет влево, другая — вправо. Они являются зеркальным отображением друг друга.Если вы посмотрите в зеркало и поднимите правую руку, изображение в зеркале поднимет левую руку. Это вы в зеркале, но есть разница — есть «ручность» по отношению к нашим зеркальным изображениям. То же самое и с этими аминокислотами. Из двадцати обычно встречающихся аминокислот девятнадцать обладают такой способностью к зеркальному отображению: их называют оптическими изомерами. Исключением является глицин — он симметричен независимо от того, как вы смотрите на него, в зеркальном отражении или прямо.

Как уже упоминалось, в нашем организме нет D-аминокислот.Это верно для всех живых существ. Единственное исключение — экзоскелет насекомых, в котором есть буква «D». В противном случае у всего живого есть «L.» Заявление об эксперименте Миллера и подобных натуралистических идеях состоит в том, что они предлагают аналогию того, как могла возникнуть жизнь. Но эксперимент Миллера дает D- и L-аминокислоты примерно в соотношении 50-50. Фактически, любой способ, которым мы синтезируем аминокислоты, дает соотношение 50-50. Если бы мы вошли в лабораторию и начали смешивать химические вещества, мы бы получили смесь 50 на 50.Аналогия не работает.

Аминокислоты были обнаружены в некоторых метеоритах. Хороший вопрос будет о L- и D-аминокислотах в этих метеоритах. Какое у них отношение L к D, если говорить о аминокислотах? Ответ примерно 50 на 50. ⁽¹⁾

Никто не придумал хорошего объяснения того, почему у нас есть только L-форма в нас, когда встречающиеся в природе аминокислоты имеют примерно равное количество левосторонних и правосторонних аминокислот. Возможно, что поляризованный свет в туманности Ориона мог создать L-аминокислоты.(См. Science , 31 июля 1998 г.) ⁽²⁾ Одна проблема с этим сценарием состоит в том, что для того, чтобы земля насытилась, необходимо сделать огромные количества. Другое дело, как этот свет производит только «L» -аминокислоты. Конечно, это внеземное объяснение опровергает эксперимент Миллера и любые другие земные гипотезы. ⁽³⁾

Последней и самой серьезной слабостью эксперимента Миллера является сам Миллер. Он разработал эксперимент, надеясь получить аминокислоты, но первый запуск не дал их.Он вернулся к чертежной доске. Он изменил некоторые экспериментальные параметры, и второй запуск действительно дал желаемые результаты. Предполагаемая сила эксперимента состоит в том, что это возможное натуралистическое объяснение происхождения жизни. Метан, аммиак, вода и водород в эксперименте Миллера, даже несмотря на искусственно высокую чистоту, могли быть ранней атмосферой Земли. Электрическая искра может быть аналогична молнии, а жидкая вода — океанам. Если да, то какова аналогия с Миллером, разработчиком и модификатором эксперимента? Ответ — интеллект — конструктор; Бог, если хотите, нужен для возникновения жизни.Если кто-то думал, что предыдущие выводы из эксперимента Миллера были научными, то следует признать, что этот вывод о сверхъестественном существе также является научным.

ETI

Некоторые астрономы исследуют небеса с помощью радиотелескопов в поисках сигнала от внеземного разума (ETI). Они думают, что такой сигнал будет неслучайным и, следовательно, отличным от случайного шума, который они теперь получают. Это наука для поиска сообщения, содержащего значимую информацию? Научно ли делать вывод, что если такая информация будет найдена, то помимо нас есть еще один разум? Похоже, что ответ ученых положительный.Что ж, мы обнаружили неслучайную и очень значимую информацию, содержащуюся в наших кодах ДНК. Откуда эта информация? Следуя точно таким же рассуждениям, которые использовались при поиске ETI, можно утверждать, что фантастический объем исключительно подробной информации о ДНК исходит от разума, причем более высокого уровня.

Другие варианты

Из-за слабости эксперимента Миллера ученые предлагали другие теории натуралистического происхождения жизни.Одним из примеров является статья в журнале Insight от мая 1987 г., озаглавленная «Хвост эволюции». Исследования коры кометы Галлея заставили химика бросить вызов преобладающей теории эволюции жизни. Клифорд Мэтьюз из Университета Иллинойса считает, что, поскольку в комете Галлея было много цианистого водорода, значит, у ранней Земли в атмосфере был цианистый водород. Он предполагает, что солнечный свет вызвал химическую реакцию с образованием облаков цианистого водорода в атмосфере Земли.Цианид образовывал полимеры, которые хлынули в океаны. Они были преобразованы в белковые соединения, и из них возникла жизнь.

В газете Science News от 16 января 1988 г. была опубликована статья, предлагающая еще одну идею образования жизни на Земле. Джеймс А. Лейк, молекулярный биолог из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, предположил, что все живые существа произошли от одноклеточного организма, который жил в источниках кипящей серы. Лейк пришел к такому выводу с помощью нового компьютеризированного метода анализа генов бактерий.Еще одно решение вопроса о происхождении жизни состоит в том, что, возможно, глины участвовали в формировании жизни, а другое — в том, что, возможно, жизнь образовалась в приливных бассейнах.

Наконец, как упоминалось ранее, некоторые ученые выдвигают гипотезу о том, что жизнь возникла внеземным путем. Однако, будь то на Земле или где-то еще, мы обнаружим, что естественное зарождение жизни математически невозможно.

Математические вероятности — Хойл и Крик

Однажды я участвовал в розыгрыше лотереи журнала Sports Illustrated .Если бы я выиграл, они заплатили бы мне миллион долларов без налогов двадцатью пятью частями по 40 000 долларов. В журнале мелким шрифтом указано, что шансы на выигрыш в этом году составляли один к 1,2 x 10 ⁸ . Это означает, что в среднем я выигрываю раз в 120 миллионов лет. Допустим, мне довелось прожить следующие 120 миллионов лет, и конкурс проводится каждый год. Обычно я ожидал, что выиграю только один раз. Как вы думаете, каковы шансы, что я каждый год выигрываю главный приз в течение следующих 120 миллионов лет? Звучит невозможно? По словам сэра Фреда Хойла и других, у меня фантастически больше шансов выиграть лотерею Sports Illustrated Sweepstakes 120 миллионов лет подряд, чем у жизни, формирующейся на Земле естественным путем.Хойл и Викрамасингх подсчитали чрезвычайно низкую вероятность образования фермента: один из 10 ^{40 000} — это 10 с 40 000 нулями за ним. Вероятность победы в конкурсе Sports Illustrated 120 миллионов лет подряд составляет всего 1,44 из 10 ¹⁶

Нобелевский лауреат Фрэнсис Крик также пришел к крайне низкой вероятности естественного возникновения жизни. Хойл и Викрамасингх пришли к тому же выводу, что и Крик: образование жизни где-то еще более вероятно, чем спонтанное зарождение на Земле.Крайне маловероятно, что жизнь возникла здесь, на Земле, и еще менее невероятно, если жизнь возникла где-то еще.

Крик, Хойл и Викрамасингх не единственные, кто вычисляет очень низкие математические вероятности образования жизни на Земле. Другие — Чарльз-Юджин Гай, Гарольд Дж. Моровиц, Фрэнк Б. Солсбери и Джеймс Ф. Коппедж.

Гай, Моровиц и Солсбери

Гай был швейцарским физиком, который, умер в 1942 году, сделал свои расчеты до крупных биохимических прорывов, таких как изучение ДНК.Основываясь на чрезмерном упрощении двух видов атомов, упорядоченных в белках, он пришел к вероятности 2,02 x 10 ^-321 . Об этом сообщил Пьер Леконт дю Ной в книге « Human Destiny » (1947), как требуется 10 ²⁴³ миллиардов лет для образования одной белковой молекулы из Земли, сотрясаемой со скоростью света. Поскольку самый длинный предполагаемый возраст Земли составляет пять миллиардов лет, а для жизни необходимо более одного белка, мы фактически сталкиваемся с невозможностью.

Подход Моровица в его Energy Flow in Biology (1968) заключался в вычислении вероятности случайных флуктуаций, генерирующих достаточно энергии для образования связи, необходимой молекулам для живой клетки.Для океана правильных молекул, необходимых для создания минимальной клетки, это будет один шанс из 10 ^399,999,866 , что опять же практически невозможно.

Солсбери понял, что гены кажутся слишком уникальными, чтобы возникать случайно. Он также понял, что даже если бы гены существовали, в какой-то момент потребуется определенный фермент. Эволюционная теория предсказывает, что этот ранний фермент появился из-за случайных мутаций существующих генов. Он великодушно предположил, что 10 ²⁰ планет с океанами содержат небольшие гены ДНК длиной 1000 нуклеотидов, которые реплицируются миллион раз в секунду с мутациями, происходящими каждый раз.Он подсчитал, что вероятность получения желаемого результата составляла один к 10 ⁴¹⁵ , что казалось ему слишком невероятным, если Земле было всего 4 миллиарда (4 x 10 ⁶ ) лет. Это создало дилемму, поскольку естественному отбору нужно что-то воздействовать. ⁽⁴⁾

Расчеты Коппеджа

Коппедж провел несколько расчетов, все из которых показали крайнюю невероятность случайного возникновения жизни. Для образования белка он предоставляет экстремальные условия, такие как скорость образования цепочек аминокислот на уровне одной трети десятимиллиардной доли секунды.(Эта уступка составляет 150 тысяч триллионов нормальной скорости.) ⁽⁵⁾

Он приходит к вероятности образования одного белка из случайного расположения аминокислот как один из 10 ²⁸⁷ . Для минимального набора из 239 белковых молекул для наименьшего теоретического срока жизни вероятность случайного образования составляет 1 из 10 ^{119 879} . Для него это невозможно. ⁽⁶⁾

Coppedge осознал, что даже при крайней вероятности событий всегда можно сказать, что шанс все же есть, независимо от того, насколько малы шансы.Его ответом на этот аргумент стала работа французского эксперта по теории вероятностей Эмиля Бореля. Борель представил свой «закон случая» в книге Elements of theory of theory of Probibility (1965). Его закон гласит, что события, вероятность которых чрезвычайно мала, никогда не происходят. Насколько маленький маленький? В работе Probabilities and Life (1962) он вычисляет, что вероятность 1 из 10 ¹⁵ пренебрежимо мала в земном масштабе и одна из 10 ⁵⁰ в космическом масштабе. Все обсуждаемые нами вероятности намного больше одной из 10 ⁵⁰ .Если математика Бореля верна, тогда жизнь не может существовать естественным образом ни на Земле, ни во Вселенной.

Заключение

Как показывают эксперименты Пастера и других, жизнь нигде не возникает спонтанно. Кроме того, они подразумевают, что жизнь не происходила когда-либо в прошлом. Кроме того, математический подход исключает возможность естественного возникновения жизни на Земле или вне Земли. Остается только сверхъестественный вариант. Жизнь нужно было создать.Это не могло произойти случайно.

Благодарности

Рисунки 1 (от С. Миллера) и 2 (от Дж. Уотсона и Ф. Крика) взяты из S. Glasstone, Книга Марса , опубликованная НАСА (1968). Обработкой текста занималась Шэрон Энн Макмаллен.

Ссылки

1. 1.J. Г. Лоулесс и Э. Петерсон, «Аминокислоты в углеродистых хондритах», Origins of Life (1975) 6: 3-8. В метеорите Мерчисон может быть небольшой (7-9%) избыток L-аминокислоты, но все же не 100% -ный избыток L-аминокислоты; см. J.Р. Кронин и С. Пиццарелло, «Энантиометрические избытки метеоритных аминокислот», Science (1997) 275: 951-955.

2. J. Bailey, et. др., «Круговая поляризация в областях звездообразования: последствия для биомолекулярной гомохиральности», Science (1998) 281: 672-674 и Р. Стоун. «Создал ли Twisty Starlight сцену для жизни?», Там же, : 626-627.

3. 3. Подробный анализ теорий биохимической эволюции см. В C.B.Торнтон, WL. Брэдли и Р.Л.Олсен, Тайна происхождения жизни, (Нью-Йорк: Философская библиотека, 1984).

4. Ф. Б. Солсбери, «Естественный отбор и сложность гена», Nature , 1969, 224: 342.

5. Джеймс Ф. Коппедж, Эволюция , возможно или невозможно? Молекулярная биология и законы случайности в нетехническом языке (Northridge, CA: Probability Research in Molecular Biology, 1993 г.