почему невозможно самозарождение жизни в современных условиях
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.
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.
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».
Теории происхождения жизни
За всю историю существования человечества сторонниками этой теории не было приведено ни одного подтверждающего доказательства. Справедливо отметить, что и опровергнуть эту теорию невозможно. Основополагающим моментом здесь являются не факты, а вера.
Теория стационарного состояния
Теория панспермии (греч. pan — всё и sperma — семя)
Теория самозарождения
Сторонники этой теории считали (или считают, если такие еще остались)), что жизнь способна самозарождаться из неживого. Еще Аристотель считал, что личинки, из которых появляются мухи, самозарождаются в гниющем мясе. Эти представления были довольно долго распространены и популярны.
Особенно активно эти идеи обсуждались в конце XVI века, когда апогея достигла легенда о гомункулусе. Свой рецепт «приготовления» гомункулуса Парацельс описывает так: «Возьмите сперму и заставьте ее гнить 7 суток в запечатанной тыкве, а затем в течение 40 недель в лошадином желудке, ежедневно добавляя кровь. В результате произойдет живой ребенок, как дитя, родившееся от женщины».
Кажется что-то таинственное и магическое скрыто за этими древними строками, однако это всего лишь остроумная шутка, на которую попались многие, даже из числа наших современников. Первым аргументированно попытался опровергнуть теорию самозарождения жизни Франческо Реди в 1668 году.
В честь Луи Пастера процесс тепловой обработки пищевых продуктов называется пастеризацией. Она представляет собой нагревание жидких продуктов до 60-70 °C в течение 60 минут, в результате чего болезнетворные микроорганизмы погибают. Это позволяет сохранить продукты свежими на долгое время.
Гипотеза А.И. Опарина абиогенного происхождения жизни
В результате таких преобразований из первичного бульона возникли первые прокариотические клетки.
По итогам эксперимента в системе появились аминокислоты, сахара, жиры и даже предшественники нуклеиновых кислот.
С точки зрения вероятности возникновение жизни весьма маловероятно, однако учитывая очень долгое время (1 млрд. лет от появления Земли) вероятность такого события значительно возрастает.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Почему невозможно самозарождение жизни в современных условиях
Возникновение органических соединений
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.
Теория биопоэза
Назовите основные стадии возникновения жизни согласно теории биопоэза.
Образование и эволюция коацерватов
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.
Возникновение пробионтов
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.
Эволюция гетеротрофов
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.
Самозарождение жизни в современных условиях
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.
Эры и периоды истории Земли
По какому принципу историю Земли делят на эры и периоды?
Разделение истории Земли на этапы произошло после того, как геологи и палеонтологи сравнили между собой разноуровневые пласты осадочных пород и находящиеся в них окаменелости. Временные границы между эрами и периодами были установлены с учетом особенностей геологических процессов, климата, появления и исчезновения определенных групп живых организмов.
Возникновение жизни
Когда возникли первые живые организмы?
Первые живые организмы возникли около 3,5 млрд лет назад. Это были анаэробные гетеротрофы, которые питались органическими веществами, содержащимися в «первичном бульоне».
Криптозой
Какими организмами был представлен живой мир в криптозое (докембрии)?
Криптозой состоит из нескольких эр. В архейскую эру Землю населяли первые анаэробные гетеротрофы; 3 млрд лет назад появились цианобактерии. В протерозойскую эру (2,5–0,5 млрд лет назад) в атмосфере накопилось достаточно кислорода, чтобы возникли первые аэробные организмы. В результате симбиоза разных групп древних простейших организмов сформировались эукариотические клетки, близкие к современным. В итоге в протерозое на клеточном уровне уже обнаруживаются все царства живых организмов (растения, животные и грибы). В последние 100 млн лет этой эры появилась многоклеточность; возникли губки, кишечнополостные, черви, иглокожие, членистоногие, моллюски и, наконец, первые хордовые.
Пермский период
Почему в пермский период палеозойской эры вымерло большое количество видов амфибий?
В пермский период (285–230 млн лет назад) климат стал существенно холоднее и суше, чем в карбоне. Поэтому численность амфибий, которым вода необходима для увлажнения кожи и развития личинок, стала резко сокращаться. Многие крупные и гигантские виды быстро исчезли. В целом произошла довольно быстрая смена амфибий рептилиями, которые были гораздо лучше приспособлены к сухопутному образу жизни.