5.6. Происхождение и сущность жизни

1. Креационизмом называется религиозная концепция божественного происхождения всего живого.

2. В гипотезе самопроизвольного зарождения жизни предполагалось, что природа совершает переход от безжизненных объектов к животным настолько плавно, что различия между соседними группами еле заметны. Определённые частицы вещества содержат некое «живое начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. В современной терминологии подобное явление называется абиогенезом – это возникновение живого из неживого, или самозарождение. Такая идея была распространена в прошлом. Впоследствии невозможность произвольного зарождения жизни была доказана и сформулирована в виде принципа Ф. Реди: «Всё живое от живого». Такая концепция, обратная абиогенезу, получила название биогенеза: «Жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни».

3. Гипотеза, заявляющая, что проблемы зарождения жизни вообще не существует, что жизнь никогда не возникала, а существовала всегда, называется гипотезой стационарного состояния.

4. Гипотеза, предполагающая, что земная жизнь имеет космическое происхождение, носит название гипотезы панспермии. Здесь объясняется лишь появления жизни на Земле, но не её возникновение где-то. Предполагается, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время и в разных местах.

5. Современная концепция происхождения жизни называется биохимической эволюцией, в которой рассматриваются условия однократного абиогенеза естественным физико-химическим путём. Выделяют три этапа формирования жизни:

– химический (абиогенное возникновение органических мономеров);

– предбиологический (формирование биополимеров);

– биологический (возникновение первых организмов).

6. На этапе химической эволюции происходил абиогенный (без участия живых организмов) синтез органических мономеров, которые создавались в атмосфере и накапливались в тёплых или даже кипящих водоёмах. Первичная атмосфера Земли была насыщена вулканическими газами и состояла из водяных паров (H₂O), углекислого газа (двуокиси углерода CO₂), угарного газа (оксида углерода CO), оксидов серы (SO₂ и SO₃), азота (N₂), аммиака (NH₃), метана (CH₄), оксидов азота (NO₂ и др.), а также небольшой примеси других газов. В древней атмосфере отсутствовал газообразный кислород (O₂). Активная вулканическая деятельность сопровождалась выбросами больших масс радиоактивных компонентов, важную роль в химических реакциях играли сильные и частые электрические разряды во время гроз и ультрафиолетовое излучение Солнца. Образующиеся органические соединения накапливались в океане, формируя «первичный бульон». Продолжительность этих процессов составляла десятки миллионов лет.

7. А. М. Бутлеров, А. И. Опарин, С. Миллер и Г. Юри показали возможность абиогенного синтеза органических веществ из неорганических в лабораторных условиях. Они моделировали условия первичной атмосферы (температуру, давление, состав газовой среды), в том числе электрические разряды от высоковольтных источников питания и ультрафиолетовое облучение. Удалось получить многие биологически важные вещества: аминокислоты, короткие цепочки нуклеотидов и др.

8. «Первичным бульоном» называют воды первичного океана, постепенно насыщаемые разнообразными органическими веществами, в том числе полинуклеотидами, полипептидами и различными катализаторами. Эти вещества смешивались, взаимодействовали и объединялись в мелкие обособленные структуры.

9. На этапе предбиологической эволюции протекали реакции полимеризации, которые могли активизироваться при значительном увеличении концентрации раствора и даже во влажном песке. В концентрированных растворах органических веществ (белков, нуклеиновых кислот, липидов) при определённых условиях могли образовываться сгустки, называемые коацерватными каплями или коацерватами. Так названы мельчайшие коллоидальные частицы из органических многомолекулярных соединений, обладающие осмотическими свойствами, то есть способностью переноса вещества через полупроницаемую мембрану. Возможность поглощения из окружающей среды необходимых для роста веществ, процессы распада и выделения продуктов распада сближают коацерваты с живыми системами. Опарин называл их протобионтами (пробионтами) – предшественниками живых организмов.

В конечном счёте сложные органические соединения формировали белково-нуклеиново-липоидные комплексы (коацерваты, гиперциклы, пробионты, прогеноты и др.). Результатом предбиологического отбора явились первые примитивные живые организмы, которые вступили в естественный биологический отбор и дали начало всему органическому миру на Земле. На первых этапах жизнь развивалась в водной среде, которая была единственной защитой от жёсткого ультрафиолетового излучения Солнца.

Настоящие клеточные мембраны могли возникнуть в ходе формирования коацерватов. Предполагается, что предбиологический отбор коацерватов шёл в двух направлениях: по способности накопления специальных белкоподобных полимеров, ответственных за ускорение химических реакций, и по наиболее удачному сочетанию последовательности нуклеотидов.

Помимо гипотезы Опарина, существует гипотеза Дж. Холдейна, в которой первичной была микромолекулярная система, способная к самовоспроизводству. Здесь предпочтение отдаётся не белкам, а нуклеиновым кислотам.

10. На биологическом этапе эволюции появились первые примитивные организмы близкие по своему строению к прокариотам. Прокариоты по способу питания были гетеротрофами, т. е. питались и воспроизводились за счёт готовых органических веществ «первичного бульона». По способу дыхания они были анаэробами, то есть жили без кислорода, а энергию, необходимую для дыхания, получали путём брожения. Первыми аэробами были цианеи (синезелёные водоросли).

При увеличении численности гетеротрофных прокариотических клеток запас органических соединений в первичном океане истощался. В этих условиях обострилась конкуренция между древними прокариотами, которая не только способствовала усложнению их строения, но и привела к появлению новых способов получения энергии для жизненных процессов. По мере истощения «органического бульона» получили преимущество клетки, способные использовать световую энергию для образования органических соединений. Такой процесс возможен. Известны простые соединения магния, способные поглощать световую энергию. На этом пути образовался хлорофилл и появился фотосинтез, обеспечивающий организму независимость от внешних питательных веществ. Это означало появление автотрофных организмов. Организмы, способные к автотрофности, т. е. к синтезу органических веществ из неорганических за счёт реакций окисления и восстановления, получили значительные преимущества в конкурентной борьбе.

В результате фотосинтеза в земной атмосфере стал накапливаться кислород, что привело к смене восстановительной атмосферы на окислительную. Появилась предпосылка для возникновения нового типа дыхания – аэробного, отличающегося от гликолиза или брожения значительно большим выходом энергии. Кислородное (аэробное) дыхание стало основой более быстрого и более эффективного обмена веществ. Появились новые организмы – эукариоты. Способность синтезировать при дыхании большее количество АТФ позволила организмам расти и размножаться быстрее, а также усложнять свои структуры и обмен веществ.

11. Существуют две гипотезы происхождения эукариотических клеток и их органоидов. Согласно первой гипотезе эукариоты произошли от прокариотических клеток путём впячивания клеточной мембраны. Это означает внедрение наружной мембраны внутрь клетки с постепенным охватом кольцевой ДНК прокариот. В резултате образуется новая органелла, постепенно развивающаяся до ядра с хромосомами.

Вторая гипотеза, имеющая большее число сторонников, предполагает симбиотическое происхождение эукариотной клетки. Она предусматривает эволюцию свободно живущих прокариотических клеток в митохондрии, пластиды и базальные тельца ресничек и жгутиков будущей эукариотической клетки. Клетки прокариотов становятся органеллами эукариотов в процессе симбиоза. В пользу этой гипотезы свидетельствует наличие собственных РНК и ДНК в митохондриях и хлоропластах.

12. Вариант предполагаемой последовательности основных этапов в процессе эволюции при возникновении жизни:

– абиогенный синтез низкомолекулярных органических соединений из неорганических (газов первичной атмосферы);

– полимеризация мономеров и образование биополимеров;

– объединение полипептидов с полинуклеотидами, возникновение самовоспроизводящихся молекул;

– образование системы, обособленной от внешней среды мембраной;

– возникновение фотосинтеза.

13. Последовательность биологической эволюции:

– протобионты – прокариоты – эукариоты – многоклеточные.

14. Наиболее известными теориями происхождения протобиополимеров являются коацерватная и хиральная.

15. В вопросе происхождения жизни имеются два методологических подхода. Гипотеза голобиоза основана на первичности структур клеточного типа, способных к обмену веществ при участии ферментных белков. Гипотеза генобиоза опирается на первичность молекулярной системы со свойствами генетического кода.