Возможно ли самопроизвольное зарождение жизни в современных условиях
Возможно ли самозарождение жизни.
Рассмотрим самое начало предполагаемой эволюции.
Считается, что сначала в океане случайно образовались мо-
лекулы аминокислот, затем они сгруппировались в сгустки,
и в этих сгустках начался процесс случайного формирования
белков. Согласно расчетам вероятность появления функ-
циональной белковой молекулы в случайном наборе амино-
кислот — всего 10³²⁵. Нужно опробовать 10−325(степень) комбинаций
аминокислот, чтобы получился один нужный белок. Во всей
видимой части Вселенной около 10 80(степень) электронов. Если в каждом е электроне разместить свою Вселенную, в каждом
электроне которой тоже находится Вселенная, все электро-
ны которой содержат по целой Вселенной, тогда будет 10 320(степень).
Заметим также, что биологически активные белки содеp-
жат аминокислоты исключительно левого вpащения, а самопроизвольно могут появляться лишь смеси пpавых и левых фоpм в случайных пропорциях. Невозможно себе
представить, чтобы аминокислоты левого вращения сбива-
лись в отдельные группы и формировали белки. Если левых
и правых аминокислот поровну, то вероятность того, что в белке из 500 аминокислот все они случайно окажутся левой
симметрии, составляет всего лишь ( ½)⁵⁰⁰, или 10¹⁶⁰.
Пpоцесс самоформирования упорядоченности совеpшенно
неестественен и по другой причине. Вспомним второе
начало термодинамики: всякая молекулярная система, бу-
дучи предоставлена себе самой, стремится к состоянию наи-
большего хаоса, т. е энтропия ( величина, характеризующая
степень хаоса) растет. Поэтому, например, тепло не пере-
дается самопроизвольно от менее нагретого тела более на-
гретому, а распределяется равномерно. Поэтому, приезжая
весной на дачу, мы не обнаруживаем случайно построив-
шегося второго этажа или гаража, а лишь прохудившуюся
крышу да покосившийся забор. Гипотеза самофоpмиpования
белков противоречит эмпирическому опыту ученых, сфор-
мулировавших второе начало термодинамики.
Рассматриваемое явление самофоpмиpования белков со-
провождалось бы уменьшением энтропии. Появление порядка
наблюдается в природе, но это отнюдь не самоупорядочение.
Вода скапливается в низких местах, образуя лужи, а замер-
зая в воздухе — симметричные снежинки. Многие вещества
формируют кристаллы. Эти состояния просто-напросто от-
вечают минимуму потенциальной энергии и сопровождают-
ся выделением теплоты, так что в целом энтропия растет.
Переходы в более упорядоченное состояние с меньшей
энтропией возможны лишь в некоторых исключительных
случаях неравновесных, необратимых процессов в открытых
системах ( теорию самоорганизации неравновесных термоди-
намических структур основал И. Пригожин). Но нет никаких
причин считать предполагаемый процесс образования белков
или ДНК неравновесным, необратимым. Ведь катализаторов
подобной сборки в первоокеане быть не могло, как и поло-
жительных обратных связей, стимулирующих образование
промежуточных молекул. А их развал интенсивно усили-
вался бы ультрафиолетом, гидролизом и разнообразными
химическими веществами первоокеана. В живых организмах
ферменты обеспечивают скорость синтеза, в десятки раз пре-
вышающую скорострельность пулемета ( тысячи операций за секунду). Иначе и нельзя: промежуточные молекулы очень
нестабильны и могут развалиться, целые « бригады сбор-
щиков» ( группы молекул) сменяются сотни раз в секунду.
Самосинтез в каждый момент шл бы вперед посредством
флуктуаций ( случайного появления нужных молекул) и ещ быстрее назад, через развал новой структуры из молекул ами-
нокислот, равновесным и обратимым образом. Вероят-
ность же гигантской флуктуации, приводящей к появлению
белка целиком, ничтожно мала. И. Пригожин и его коллеги
не смогли и приблизиться к доказательству того, что огром-
ное количество информации, необходимое для самовоспро-
изведения молекул, могло накопиться естественным путм.
Теория самоорганизации Пригожина—Арнольда—
Самопpоисхождение жизни — вовсе не такой естествен-
ный пpоцесс, как его pисуют. Напротив, с самого начала
( заpождения сложных молекул) и до самого конца ( появле-
ния человека) эта гипотеза представляет собой нелепое на-
громождение невероятных, противоестественных случайно-
стей. «Можно сделать вывод, что вера в ныне принятые схе-
мы спонтанного биогенеза противоречит здравому смыслу».
Невозможность самозарождения жизни — камень преткно-
вения всех прежних и новейших эволюционных теорий.
Гениальный Томас Эдисон ( именно он изобрел современ-
ную лампочку, разработал телефон и телеграф) известен ин-
тересным высказыванием: «Существование Бога может даже
быть доказано химическим путем». Предсказанное великим
изобретателем доказательство сейчас перед нами: факты
молекулярной физики, генетики и биохимии полностью
доказывают невозможность случайного самопроисхождения
живых существ. Выходит, Создатель все-таки есть?
В рассмотренных нами возможностях самообразования
макромолекул предполагалось, что на древней Земле от-
сутствовали прямые запреты таких процессов, хотя их было по меньшей мере два. Первый запрет — разpушение
формирующихся из аминокислот белковых молекул водой
в pезультате pеакций гидpолиза. Второй запрет — немед-
ленное окисление соединений аминокислот кислородом.
Предполагалось, что в древности на планете отсутствовал
кислород, и тогда-то смогли зародиться макромолекулы,
сформировавшие простейшие микроорганизмы. Но в самых
дpевних поpодах содержится двуокись железа, так что нет
оснований предполагать отсутствие кислорода в древней
атмосфере. Если бы вс же кислород отсутствовал, то уль-
трафиолет, проникающий сквозь такую бескислородную ат-
мосферу, не имеющую защитного озонового слоя, разрушил
бы молекулы белков. Итак, для самопроисхождения жизни
ни отсутствие кислорода, ни его наличие не подходит.
Есть и третий запрет. Предполагалось, что первоатмо-
сфера состояла из метана и аммиака — компонентов, не-
обходимых для самосинтеза аминокислот. Как показали
экспериментальные исследования и компьютерное моде-
лирование древней атмосферы, эти газы разрушились бы ультрафиолетовыми лучами ( кислород и озон отсутствова-
ли), а первичная атмосфера теоретически могла состоять
лишь из азота и углекислого газа10. Возникает справедливое
недоумение: откуда же тогда появились аминокислоты, из которых состоят белки?
Ученые указывают на множество замкнутых порочных
кругов в гипотезе самозарождения, например: ДНК воспро-
изводятся только с помощью ферментов, кодируемых самой
ДНК; белки синтезируются с помощью белковых комплексов
рибосом; клеточные мембраны могут синтезироваться только
на мембранах; АТФ синтезируются только на мембранных
комплексах, синтез которых без самих АТФ невозможен.
Самообразование жизненно важных макромолекул тре-
бует огромного количества взаимно исключающих условий,
не позволяющих теоретикам эволюции составить целостную
научную концепцию. На сегодня нет серьзной научной
теории о том, где и как на Земле мог идти синтез белка.
Существующие гипотезы включая новейшие ( формирова-
ние жизни на основе РНК-геномов, так называемый мир
РНК), описывают лишь мелкие разрозненные фрагменты
предполагаемого процесса. Они выглядят искусственно и вызывают лишь улыбки специалистов. Среди современных
экспериментаторов, как утверждают генетики, остатся вс меньше сторонников случайного происхождения жизни.
« Более 30 лет экспериментирования в области химической
и молекулярной эволюции, связанного с происхождением
жизни, привели, скорее, к лучшему пониманию масштабов
проблемы возникновения жизни на Земле, чем к ее раз-
решению. В настоящее время все дискуссии о важнейших
теориях и опытах в этой области заканчиваются либо за-
стоем, либо признанием в невежестве»
Если мы взглянем на скульптуры Микеланджело, то с уверенностью скажем, что их создал человек, и притом та-
лантливейший. Никому и в голову не придет, что такие про-
изведения искусства случайно образуются сами в результате
того, что каменные глыбы, срываясь с вершин гор и падая
в пропасть, так чудесно обтесываются. Отчего-то никто не рыскает по пропастям в поисках гениальных произведений
искусства. Почему же мы, глядя на этот чудный и дивный
мир, не утверждаем с уверенностью, что этот мир — пре-
краснейшее творение Высшего Разума? Как утверждал это
великий физик Эрстед: «Все бытие есть сплошное творение
Бога, всюду отпечатлевшее на себе бесконечно совершен-
ный Его Разум». Или как утверждал это Исаак Ньютон:
« Из слепой физической необходимости, которая всегда и везде одинакова, не могло произойти никакого разнообра-
зия. разнообразие сотворенных предметов могло произойти
только по мысли и воле Существа Самобытного, Которое я называю Господь Бог».
Повторное возникновение жизни на Земле
Вопрос, возможно ли повторное появление жизни на Земле, неизбежно возникает у каждого, кто узнает о том, как возникла жизнь.
Неживая материя в какой-то момент приобрела способность самовоспроизводиться и обмениваться веществами и энергией с окружающей средой. Этот факт заставляет задуматься, может ли подобное повториться.
Поневоле начинаешь фантазировать о необычных, возможно, неорганических живых существах. Но наука знает точный ответ на этот вопрос: повторно жизнь на Земле (и нигде, где уже зародилась) появиться и продолжить существовать не может.
Что нужно для возникновения жизни
Эксперимент Миллера-Юри, проведенный в 1953-1954 годах показывает, что из неорганических веществ при определенных условиях получаются органические – аминокислоты, углеводы, липиды, нуклеотиды. Для этого нужно пропустить электрический разряд через нагретую до 80°C смесь газообразных воды, аммиака, метана, угарного и углекислого газов.
В 2006 году немецкие химики продемонстрировали, что органические вещества получаются из неорганических и в растворах при нагревании до той же температуры. Электрические разряды для этого необязательны.
Такие условия типичны для «черных курильщиков» – горячих источников на дне моря. Из них извергается прогретая до 400°C вода, а также растворенные в ней минеральные вещества.
(А) — трубчатые черви сибоглинид (S. contortum). Позади — белые микробные циновки и маленькие баритовые трубы.
(B) — на крупном плане трубчатые черви сибоглинид перед белыми микробными матами. Обратите внимание на густые популяции мелких брюхоногих моллюсков (P. griegi и Skenea sp.) Рядом — линейка в 5 см для масштаба.
(C) — амфиподы (Melitidae sp. nov.) на стене «дымохода».
(D) — на крупном плане — ювенильная амфипода Melitid размером
(E) — электронно-микроскопическое изображение хемоавтотрофных амфипод Melitid (масштабная линейка — 3 мкм).
(F) — маленькие брюхоногие моллюски (P. griegi), населяющие стенку «дымохода» (
Вокруг «черных курильщиков» живут бактерии, которые окисляют выделяющиеся вещества и так получают энергию.
Из скопления органических веществ могут образовываться протоклетки – примитивная форма жизни. В 2008 году протоклетку удалось создать американским ученым, а в 2011 году – японцам.
Таким образом, чтобы из неорганических веществ получились органические, требуются:
Чтобы получившаяся органика стала живой, требуются другие условия:
Последний пункт – самый сложный.
Углеводы, липиды и белки не воспроизводят свои копии. Это же относится к большинству молекул, за исключением нуклеиновых кислот – ДНК и РНК.
Протоклетка, полученная американцами в 2008 году, была способна частично воспроизводить структуру своей ДНК, не используя для этого ферменты. Однако РНК справляется с этой задачей лучше. Именно поэтому ученые считают, что первый живой организм содержал именно РНК.
Не только самовоспроизводство
Все живые организмы произошли от одного общего предка. Предположительно это была РНК-содержащая протоклетка, которая приобрела способность размножаться – воспроизводить саму себя.
Одно из свойств живых организмов – обмен с окружающей средой веществом и энергией. Это значит, что потомки протоклетки должны были получать энергию и вещества для роста и самовоспроизведения извне.
Поначалу органических веществ хватало всем: они образуются проще, чем живые организмы. Однако через некоторое время должна была возникнуть конкуренция за питание. Вероятно, именно тогда появились автотрофные организмы, способные синтезировать органические вещества с использованием энергии Солнца (фотоавтотрофы) или химических связей (хемоавтотрофы). Вполне возможно, что тогда же появились и организмы, питающиеся другими организмами.
Живые организмы развивались и приспосабливались к новым условиям: изменениям атмосферы, температуры, состава воды, новым способам получать энергию – фотосинтезу, а затем – кислородному дыханию.
Они стали многоклеточными, формировали внутренние и внешние скелеты, осваивали сушу и вновь уходили в океанские глубины. В результате эволюции и естественного отбора появилось множество непохожих друг на друга, но все-таки сходных живых существ. Они распространились по всей Земле, образовав биосферу.
Часть Земли, населенную живыми организмами, называют биосферой.
Границы жизни
В ходе эволюции живые организмы освоили все среды обитания: наземно-воздушную, водную и почвенную. В атмосфере биосфера заканчивается на высоте 20-22 км и определяется озоновым слоем. Он защищает живые организмы от действия ультрафиолетовых лучей. Большинство живых существ обитает ближе к поверхности Земли.
В литосфере живые организмы проникают на глубину до 7,5 км. Глубже существование жизни маловероятно из-за высоких температур, при которых испаряется вода и разрушаются белки.
Глубже всего в литосферу проникают бактерии-хемосинтетики. Среди многоклеточных рекорд принадлежит дьявольскому червю – нематоде Halicephalobus mephisto. Этот вид нематод открыли в ЮАР на глубине 3,6 км. Дьявольские черви живут в воде, прогретой до 48°C и питаются почвенными бактериями.
В гидросфере живые организмы обнаружили даже в Марианской впадине. На глубине 10911 м обитают фораминиферы – раковинные одноклеточные организмы. Там же обнаружили ракообразных Hirondellea gigas, размеры тела которых достигают 5 см.
Живые организмы обитают даже в, казалось бы, неподходящих для жизни условиях. В гидротермальных источниках живут археи – безъядерные организмы, вероятно, одни из древнейших на Земле. Бактерии обнаруживают в урановых рудниках, соленых озерах и на дне океана, вокруг «черных курильщиках».
Чтобы живые организмы оставались живыми, нужно соблюдение трех условий:
К другим изменениям – давлению, температурам, химическому составу среды, наличию или отсутствию света – живые организмы могут приспособиться.
Это означает, что живые организмы обитают везде на Земле, где есть условия для существования жизни.
Почему жизнь не возникает повторно
Причины, по которым жизнь не может зародиться повторно, различаются в зависимости от того, какая из гипотез о происхождении жизни верна.
В статье мы поэтапно рассказываем, как зародилась жизнь на Земле и какие условия этому поспособствовали.
Если предполагать, что органические вещества получились из неорганических в газообразной среде под действием электрических разрядов, объяснение простое: состав атмосферы изменился, и органическим веществам не из чего образовываться. Раз они не образуются заново, значит, не могут и собраться в капли и сформировать протоклетку.
Однако вокруг второго кандидата на место самозарождения жизни – «черных курильщиков» – условия не изменились. Там все такая же высокая температура и много неорганических веществ, из которых могут сформироваться органические. И, самое главное, они окружены более холодной водой; значит, часть образующихся органических веществ не разрушится, а достигнет места, где вполне может сформировать новую протоклетку.
Самозарождение жизни
Живые организмы самопроизвольно возникают из неорганических веществ.
С самых давних времен люди полагали, что живые организмы появились из более простых веществ. Оставьте, например, кучу зерна под дождем, и она вскоре породит мышей; оставьте на улице мясо, и скоро по нему будут ползать личинки мух. В XVII веке Франческо Реди оставлял мясо на улице в разных горшках — открытых, плотно закрытых, покрытых сеткой, — и доказал, что личинки никогда не появятся в мясе, укрытом от мух.
И хотя эксперимент Реди обрушил представление о том, что сложные организмы могут зарождаться самопроизвольно, открытие микроорганизмов в XIX веке привело ко второму рождению понятия самозарождения жизни. Даже разлагающиеся материалы, укрытые от мух, по всей видимости, производили на свет организмы, видимые под микроскопом. К 1860 году споры вокруг самозарождения жизни стал настолько жаркими, что Французская академия предложила премию любому, кто помог бы разрешить этот вопрос. Французский ученый Луи Пастер (см. Микробная теория инфекционных заболеваний) выполнил ряд тщательно подготовленных экспериментов, которые помогли окончательно решить проблему, и получил премию академии в 1864 году.
Пастер брал колбы с длинными узкими искривленными горлышками и наполнял их жидкой питательной средой. Среда доводилась до кипения, чтобы в ней были убиты все микробы, а стеклянное горлышко играло роль ловушки для спор грибов и других микроорганизмов, которые могли загрязнить жидкость. Пастер показал, что микробы появились только в колбах, горлышки которых были в последующем разбиты — то есть если в среду попали организмы, содержащиеся в воздухе.
По иронии судьбы, в 1870-х годах возникли новые дебаты, в центре которых было предположительное самозарождение плесневых грибов в процессе брожения вина. Пастер еще раз показал, проведя убедительные эксперименты (в процессе которых он в стерильных условиях брал мякоть изнутри ягод винограда и изолировал ее от воздуха), что споры дрожжей переносятся воздухом и не зарождаются самопроизвольно в ткани винограда.
Сегодня результат долгих дебатов о самозарождении жизни обобщен в лозунге биологов: «Жизнь происходит из жизни».
4.15 Современные представления о возникновении жизни
Вопрос 1. Какие космические факторы на ранних этапах развития Земли явились предпосылками для возникновения органических соединений?
На ранних этапах развития Земли органические соединения образовывались из неорганических абиогенным путем. Источником энергии для этих процессов служило ультрафиолетовое излучение Солнца. В атмосфере не существовало ни озона, ни кислорода, поэтому ультрафиолет ничем не задерживался и достигал поверхности планеты. Под его воздействием, а также при участии электрических грозовых разрядов из воды и газов образовывались простейшие органические вещества: формальдегид, глицерин, аминокислоты, мочевина и др.
Вопрос 2. Назовите основные стадии возникновения жизни согласно теории биопоэза.
Согласно теории биопоэза, сформулированной в 1947 г. английским физиком и историком науки Джоном Берналом (1901-1971), можно выделить три стадии возникновения жизни:
1) абиогенный синтез и накопление органических мономеров (формирование «первичного бульона»);
2) образование биологических полимеров и коацерватов (от лат. coacervus — сгусток);
3) формирование мембранных структур и первичных организмов (пробионтов).
Основное место протекания всех этих процессов — древний океан.
Вопрос 3. Как образовывались, какими свойствами обладали и в каком направлении эволюционировали коацерваты?
Образование коацерватов было бы невозможно без взаимодействия органических веществ друг с другом и с неорганическими соединениями. В результате такого взаимодействия из жирных кислот и спиртов образовались липиды, из аминокислот — пептиды, из нуклеотидов — нуклеиновые кислоты. Липиды формировали пленки на поверхности водоемов, а белки — растворенные в воде полимерные комплексы. Такие комплексы, сливаясь друг с другом, образовывали коацерваты — структуры, обособленные от остальной массы воды. Коацерваты были способны, обмениваясь с окружающей средой, концентрировать различные вещества. Так, накопление ионов металлов и их взаимодействие с белками привело к образованию ферментов. Нуклеиновые кислоты, попавшие в коацерваты, имели больше шансов сохранить свою структуру и не разрушиться. Коацерваты обладали некоторыми признаками живого, но для превращений их в первые живые организмы не хватало биологических мембран.
Вопрос 4. Расскажите, как возникли пробионты.
Мембраны пробионтов могли образовываться из липидных пленок на поверхности водоемов, к которым присоединялись плавающие в воде коацерваты. Для эволюции жизни были важны те коацерваты, которые содержали не только белок, но и нуклеиновые кислоты. Из их комплексов с липидами можно считать живыми организмами лишь те, которые оказались способны к самовоспроизведению нуклеиновых кислот. Так возникли пробионты — примитивные гетеротрофы, живущие за счет органических веществ абиогенного происхождения («первичного бульона»). На этом этапе закончилась химическая и началась биологическая эволюция.
Вопрос 5. Опишите, как могло происходить усложнение внутреннего строения первых гетеротрофов.
Постепенно количество органических веществ абиогенного происхождения стало уменьшаться. Это привело к жесткой конкуренции между пробионтами, которая ускорила возникновение автотрофов, использующих для создания органики энергию солнечного света. Первые автотрофы использовали бескислородный путь фотосинтеза. Позднее появились цианобактерии, способные к фотосинтезу с выделением кислорода. Следствием накопления кислорода в атмосфере стало, во-первых, возникновение аэробных организмов, во-вторых, формирование защитного озонового слоя.
Параллельно происходило усложнение внутреннего строения клеток, которое в итоге привело к появлению эукариотов. Некоторые гетеротрофы вступали в симбиоз с аэробными бактериями, захватывая их и используя в качестве «энергетических станций» — будущих митохондрий. Такие симбионты дали начало животным и грибам. Другие гетеротрофы, помимо аэробных бактерий, захватывали и автотрофов-цианобактерий, которые стали хлоропластами. Так появились предшественники растений.
Вопрос 6. Почему невозможно самозарождение жизни в современных условиях?
Самозарождение жизни на Земле в настоящее время невозможно, поскольку в условиях современной богатой кислородом атмосферы органические соединения быстро разрушаются, не накапливаются и не достигают должной степени сложности. Кроме того, появления коацерватов и пробионтов не происходит из-за огромного количества гетеротрофов, очень быстро «поедающих» любое скопление органических веществ.
Происхождение жизни на Земле: доказанная теория или нераскрытая тайна
Валерий Спиридонов, первый кандидат на пересадку головы, для РИА Новости
Человечество на протяжении многих лет пытается разгадать истинную причину и историю появления жизни на нашей планете. Еще чуть более ста лет назад практически во всех странах люди даже не думали подвергать сомнению теорию божественного вмешательства и сотворения мира высшим духовным существом.
Ситуация изменилась после выхода в ноябре 1859 года величайшего труда Чарльза Дарвина, и сейчас вокруг этой темы существует немало споров. Число сторонников дарвиновской теории эволюции в Европе и Азии насчитывает больше 60-70%, приблизительно 20% в США и около 19% в России по данным конца прошлого десятилетия.
Во многих странах сегодня призывают исключить труд Дарвина из школьной программы или хотя бы изучать его наравне с другими вероятными теориями. Если не говорить о религиозной версии, к которой склоняется большая часть населения планеты, сегодня существует несколько основных теорий происхождения и эволюции жизни, описывающих ее развитие на самых разных этапах.
Панспермия
Сторонники идеи панспермии убеждены, что на Землю первые микроорганизмы были принесены из космоса. Так считал известный немецкий ученый-энциклопедист Герман Гельмгольц, английский физик Кельвин, российский ученый Владимир Вернадский и шведский химик Сванте Аррениус, считающийся сегодня родоначальником этой теории.
Научно подтвержден факт, что на Земле неоднократно были обнаружены метеориты с Марса и других планет, возможно с комет, которые могли прибыть даже из чужих звездных систем. В этом сегодня никто не сомневается, однако пока не понятно как жизнь могла возникнуть на других мирах. По сути, апологеты панспермии переносят «ответственность» за происходящее на инопланетные цивилизации.
Теория о первичном бульоне
Рождению этой гипотезы поспособствовали эксперименты Гарольда Юри и Стэнли Миллера, проведенные в 1950-е годы. Они смогли воссоздать почти те же условия, которые существовали на поверхности нашей планеты до зарождения жизни. Через смесь молекулярного водорода, угарного газа и метана пропустили небольшие электрические разряды и ультрафиолет.
