Der Ursprung des Lebens auf der Erde: Hypothesen, Theorien, Grundkonzepte

Es ist bekannt, dass wissenschaftliche Zeitschriften versuchen, keine Artikel zur Veröffentlichung anzunehmen, die sich mit Problemen beschäftigen, die allgemeine Aufmerksamkeit erregen, aber keine klare Lösung haben - eine ernsthafte physikalische Veröffentlichung wird kein Projekt eines Perpetuum Mobile veröffentlichen. Dieses Thema ist zum Ursprung des Lebens auf der Erde geworden. Die Frage nach der Entstehung der lebendigen Natur, nach dem Erscheinen des Menschen beunruhigt denkende Menschen seit vielen Jahrtausenden, und nur Kreationisten - Anhänger des göttlichen Ursprungs aller Dinge - haben eine eindeutige Antwort für sich gefunden, aber diese Theorie ist nicht wissenschaftlich als nicht verifizierungspflichtig.

Die Ansichten der Alten

Alte chinesische und alte indische Manuskripte erzählen von der Entstehung von Lebewesen aus Wasser und verwesenden Überresten, altägyptische Hieroglyphen und Keilschrift des alten Babylons beschreiben die Geburt amphibischer Kreaturen in den schlammigen Ablagerungen großer Flüsse. Die Hypothesen über den Ursprung des Lebens auf der Erde durch spontane Zeugung waren für die Weisen der fernen Vergangenheit offensichtlich.

Antike Philosophen gaben auch Beispiele für das Erscheinen von Tieren aus unbelebter Materie, aber ihre theoretischen Grundlagen waren anderer Natur: materialistisch und idealistisch. Demokrit (460-370 v. Chr.) fand den Grund für die Entstehung des Lebens in einer besonderen Wechselwirkung der kleinsten, ewigen und unteilbaren Teilchen - Atome. Platon (428-347 v. Chr.) Und Aristoteles (384-322 v. Chr.).

Die Idee der Existenz einer Art "Lebenskraft", die zur Entstehung von Lebewesen beiträgt, erwies sich als sehr hartnäckig. Sie bildete die Ansichten über die Entstehung des Lebens auf der Erde bei vielen Wissenschaftlern, die im Mittelalter und später bis zum Ende des 19. Jahrhunderts lebten.

Spontane Generationstheorie

Anthony van Leeuwenhoek (1632-1723) machte mit der Erfindung des Mikroskops die kleinsten von ihm entdeckten Mikroorganismen zum Hauptstreitgegenstand zwischen Wissenschaftlern, die die beiden Haupttheorien über den Ursprung des Lebens auf der Erde teilten - Biogenese und Abiogenese. Erstere glaubten, dass alle Lebewesen nur das Produkt von Lebewesen sein können, letztere glaubten, dass die spontane Erzeugung von organischem Material in Lösungen unter besonderen Bedingungen möglich ist. Am Wesen dieses Streits hat sich bis heute nichts geändert.

Die Experimente einiger Naturforscher bewiesen die Möglichkeit der spontanen Entstehung der einfachsten Mikroorganismen, die Befürworter der Biogenese leugneten eine solche Möglichkeit vollständig. Louis Pasteur (1822-1895) bewies mit streng wissenschaftlichen Methoden und hoher Korrektheit seiner Experimente das Fehlen einer mythischen Lebenskraft, die durch die Luft übertragen wird und lebende Bakterien hervorbringt. In seinen Werken räumte er jedoch die Möglichkeit der spontanen Erzeugung unter einigen besonderen Bedingungen ein, die Wissenschaftler zukünftiger Generationen herausfinden mussten.

Evolutionstheorie

Die Werke des großen Charles Darwin (1809-1882) erschütterten die Grundlagen vieler Naturwissenschaften. Die von ihm proklamierte Entstehung einer großen Vielfalt biologischer Arten aus einem gemeinsamen Vorfahren machte die Entstehung des Lebens auf der Erde erneut zum wichtigsten Thema der Wissenschaft. Die Theorie der natürlichen Auslese hatte anfangs Schwierigkeiten, ihre Anhänger zu finden, und erfährt nun kritische Angriffe, die durchaus vernünftig erscheinen, aber es ist der Darwinismus, der den modernen Naturwissenschaften zugrunde liegt.

Nach Darwin konnte die Biologie den Ursprung des Lebens auf der Erde aus den vorherigen Positionen nicht mehr berücksichtigen. Wissenschaftler vieler Zweige der biologischen Wissenschaft waren von der Wahrheit des evolutionären Weges der Entwicklung von Organismen überzeugt. Mögen sich die modernen Ansichten über den gemeinsamen Vorfahren, die Darwin als Grundlage des Baumes des Lebens stellte, in vielerlei Hinsicht geändert haben, aber die Wahrheit des allgemeinen Konzepts ist unerschütterlich.

Stationäre Zustandstheorie

Die Widerlegung der spontanen Spontanbildung von Bakterien und anderen Mikroorganismen im Labor, die Kenntnis der komplexen biochemischen Struktur der Zelle sowie die Ideen des Darwinismus hatten einen besonderen Einfluss auf die Entstehung alternativer Versionen der Theorie des Ursprungs des Lebens auf der Erde. 1880 wurde eines der neuen Urteile von William Preyer (1841-1897) vorgeschlagen. Er glaubte, dass es nicht nötig sei, über die Geburt des Lebens auf unserem Planeten zu sprechen, da es für immer existiert und keinen Anfang als solches hat, es ist unveränderlich und ständig bereit für die Wiedergeburt unter allen geeigneten Bedingungen.

Die Ideen von Preyer und seinen Anhängern sind nur von rein historischem und philosophischem Interesse, denn spätere Astronomen und Physiker berechneten die Bedingungen der endgültigen Existenz von Planetensystemen, zeichneten eine konstante, aber stetige Expansion des Universums auf, das heißt, es war nie ewig oder Konstante.

Der Wunsch, die Welt als ein einziges globales Lebewesen zu betrachten, spiegelte die Ansichten des großen Wissenschaftlers und Philosophen aus Russland wider - Vladimir Ivanovich Vernadsky (1863-1945), der auch seine eigene Vorstellung vom Ursprung des Lebens auf der Erde hatte. Es basierte auf dem Verständnis des Lebens als integraler Bestandteil des Universums, des Weltraums. Die Tatsache, dass die Wissenschaft keine Schichten finden konnte, die keine Spuren von organischem Material enthielten, sprach nach Vernadsky von der geologischen Ewigkeit des Lebens. Eine der Arten, wie das Leben auf dem jungen Planeten erschien, nannte Vernadsky seine Kontakte mit Weltraumobjekten - Kometen, Asteroiden und Meteoriten. Hier verschmolz seine Theorie mit einer anderen Version, die den Ursprung des Lebens auf der Erde durch die Panspermie-Methode erklärte.

Die Wiege des Lebens ist der Weltraum

Panspermia (griechisch - "Samenmischung", "Samen sind überall") betrachtet das Leben als eine grundlegende Eigenschaft der Materie und erklärt nicht die Wege seiner Entstehung, sondern nennt den Kosmos die Quelle der Embryonen des Lebens, die mit Bedingungen auf Himmelskörper fallen geeignet für ihre "Keimung".

Die ersten Erwähnungen der Grundbegriffe der Panspermie finden sich in den Schriften des antiken griechischen Philosophen Anaxagoras (500-428 v. Chr.), und im 18. Jahrhundert sprach der französische Diplomat und Geologe Benoit de Maye (1656-1738) darüber . Diese Ideen wurden von Svante August Arrhenius (1859-1927), Lord Kelvin William Thomson (1824-1907) und Hermann von Helmholtz (1821-1894) wiederbelebt.

Das Studium der grausamen Wirkung der kosmischen Strahlung auf lebende Organismen und der Temperaturbedingungen des interplanetaren Raums machte solche Hypothesen über den Ursprung des Lebens auf der Erde nicht sehr relevant, aber mit Beginn des Weltraumzeitalters stieg das Interesse an Panspermie.

1973 äußerte der Nobelpreisträger Francis Crick (1916-2004) die Idee der außerirdischen Produktion molekularer lebender Systeme und deren Aufprall auf die Erde mit Meteoriten und Kometen. Gleichzeitig schätzte er die Chancen einer Abiogenese auf unserem Planeten als sehr gering ein. Die Entstehung und Entwicklung des Lebens auf der Erde durch die Methode der Selbstorganisation hochrangiger organischer Materie hielt der prominente Wissenschaftler nicht für Realität.

Versteinerte biologische Strukturen wurden in Meteoriten auf der ganzen Welt gefunden, ähnliche Spuren wurden in Bodenproben gefunden, die von Mond und Mars geliefert wurden. Andererseits werden zahlreiche Experimente zur Verarbeitung von Biostrukturen durch Einflüsse durchgeführt, die im Weltraum und beim Durchgang einer erdähnlichen Atmosphäre möglich sind.

Ein wichtiges Experiment wurde 2006 im Rahmen der Deep Impact-Mission durchgeführt. Tempels Komet wurde von einer speziellen Impaktorsonde gerammt, die von einem automatisierten Fahrzeug abgefeuert wurde. Die Analyse der durch den Einschlag freigesetzten Kometenmaterie zeigte das Vorhandensein von Wasser und verschiedenen organischen Verbindungen.

Fazit: Seit ihrer Einführung hat sich die Theorie der Panspermie stark verändert. Die moderne Wissenschaft interpretiert die primären Elemente des Lebens, die von Weltraumobjekten auf unseren jungen Planeten gebracht worden sein könnten, auf eine andere Weise. Forschung und Experimente belegen die Lebensfähigkeit lebender Zellen unter Bedingungen interplanetarer Reisen. All dies macht die Idee des außerirdischen Ursprungs des irdischen Lebens relevant. Die Hauptkonzepte des Ursprungs des Lebens auf der Erde sind Theorien, in denen Panspermie entweder als Hauptbestandteil oder als Möglichkeit zur Lieferung von Komponenten an die Erde zur Schaffung lebender Materie enthalten ist.

Oparin-Haldan-Theorie der biochemischen Evolution

Die Idee der spontanen Generierung lebender Organismen aus anorganischen Substanzen ist immer fast die einzige Alternative zum Kreationismus geblieben, und 1924 wurde eine 70-seitige Monographie veröffentlicht, die dieser Idee die Stärke einer gut entwickelten und fundierten Theorie verleiht. Dieses Werk wurde "Der Ursprung des Lebens" genannt, sein Autor war ein russischer Wissenschaftler - Alexander Ivanovich Oparin (1894-1980). 1929, als Oparins Werke noch nicht ins Englische übersetzt worden waren, formulierte der englische Biologe John Haldane (1860-1936) ähnliche Vorstellungen vom Ursprung des Lebens auf der Erde.

Oparin stellte die Theorie auf, dass, wenn die primitive Atmosphäre des jungen Planeten Erde reduktiv (d. In Zukunft könnten solche Moleküle Klumpen und Cluster bilden - Koazervattropfen, die Protoorganismen sind, um die sich Wassermäntel bilden - die Rudimente der Schalenmembran, es kommt zu einer Schichtung, die zu einem Ladungsunterschied führt, was bedeutet, dass die Bewegung der Beginn des Stoffwechsels, die Rudimente des Stoffwechsels usw. Koazervate galten als Grundlage für den Beginn der evolutionären Prozesse, die zur Entstehung der ersten Lebensformen führten.

Haldane führte das Konzept der "Ursuppe" ein - der ursprüngliche irdische Ozean, der zu einem riesigen chemischen Labor wurde, das mit einer mächtigen Energiequelle verbunden war - dem Sonnenlicht. Die Kombination von Kohlendioxid, Ammoniak und ultravioletter Strahlung hat zu einer konzentrierten Population von organischen Monomeren und Polymeren geführt. Anschließend kombinierten solche Formationen mit dem Auftreten einer Lipidmembran um sie herum und ihre Entwicklung führte zur Bildung einer lebenden Zelle.

Die Hauptstadien der Entstehung des Lebens auf der Erde (nach Oparin-Haldane)

Nach der Theorie der Entstehung des Universums aus einem Energiebündel ereignete sich der Urknall vor etwa 14 Milliarden Jahren und vor etwa 4,6 Milliarden Jahren wurde die Entstehung der Planeten des Sonnensystems abgeschlossen.

Die junge Erde, die allmählich abkühlte, erhielt eine harte Schale, um die sich die Atmosphäre bildete. Die Primäratmosphäre enthielt Wasserdampf und Gase, die später als Rohstoffe für die organische Synthese dienten: Kohlenmonoxid und -dioxid, Schwefelwasserstoff, Methan, Ammoniak, Cyanidverbindungen.

Der Beschuss durch Weltraumobjekte mit gefrorenem Wasser und die Kondensation von Wasserdampf in der Atmosphäre führten zur Bildung des Weltozeans, in dem verschiedene chemische Verbindungen gelöst wurden. Mächtige Gewitter begleiteten die Bildung einer Atmosphäre, durch die starke ultraviolette Strahlung drang. Unter solchen Bedingungen fand die Synthese von Aminosäuren, Zuckern und anderen einfachen organischen Stoffen statt.

Am Ende der ersten Milliarde Jahre der Existenz der Erde begann der Prozess der Polymerisation einfachster Monomere in Wasser zu Proteinen (Polypeptiden) und Nukleinsäuren (Polynukleotiden). Sie begannen, präbiologische Verbindungen zu bilden - Koazervate (mit den Rudimenten des Kerns, des Stoffwechsels und der Membran).

3,5-3 Milliarden Jahre v. Chr. - das Stadium der Bildung von Protobionten, die sich selbst reproduzieren, einen regulierten Stoffwechsel haben, eine Membran mit variabler Permeabilität.

3 Milliarden Jahre v. Chr. NS. - die Entstehung von Zellorganismen, Nukleinsäuren, Primärbakterien, der Beginn der biologischen Evolution.

Experimentelle Beweise für die Oparin-Haldan-Vermutung

Viele Wissenschaftler haben die Grundkonzepte der Entstehung des Lebens auf der Erde anhand der Abiogenese positiv bewertet, obwohl sie von Anfang an Engpässe und Unklarheiten in der Oparin-Haldane-Theorie fanden. In verschiedenen Ländern wurde mit der Durchführung von Teststudien der Hypothese begonnen, von denen das bekannteste das klassische Experiment ist, das 1953 von den amerikanischen Wissenschaftlern Stanley Miller (1930-2007) und Harold Urey (1893-1981) durchgeführt wurde.

Die Essenz des Experiments bestand darin, im Labor die Bedingungen der frühen Erde zu simulieren, unter denen die Synthese einfachster organischer Verbindungen stattfinden konnte. Im Gerät zirkulierte ein Gasgemisch, das in seiner Zusammensetzung der primären Erdatmosphäre ähnelt. Das Design des Geräts imitierte die vulkanische Aktivität, und elektrische Entladungen, die durch das Gemisch geleitet wurden, erzeugten die Wirkung eines Blitzes.

Nach einer Woche Zirkulation der Mischung durch das System wurde der Übergang von einem Zehntel Kohlenstoff in organische Verbindungen festgestellt, es wurden Aminosäuren, Zucker, Lipide und Verbindungen vor den Aminosäuren gefunden. Wiederholte und modifizierte Experimente haben die Möglichkeit der Abiogenese unter den simulierten Bedingungen der frühen Erde vollständig bestätigt. In den Folgejahren wurden wiederholt Versuche in anderen Laboratorien durchgeführt. Als möglicher Bestandteil der vulkanischen Emissionen wurde der Zusammensetzung des Gasgemisches Schwefelwasserstoff zugesetzt und andere nicht-kardinale Veränderungen eingeführt. In den meisten Fällen war die Erfahrung mit der Synthese organischer Verbindungen erfolgreich, obwohl Versuche, weiter zu gehen und komplexere Elemente zu erhalten, die sich in ihrer Zusammensetzung einer lebenden Zelle nähern, nicht von Erfolg gekrönt waren.

RNA-Welt

Am Ende des 20 offensichtliche, vielleicht unüberwindbare Mängel. Die wichtigste war die Unmöglichkeit, das Auftreten von Eigenschaften in Protobionten zu erklären, die für einen lebenden Organismus entscheidend sind - um sich unter Erhaltung der erblichen Eigenschaften zu reproduzieren. Mit der Entdeckung genetischer Zellstrukturen, mit der Bestimmung der Funktion und Struktur der DNA, mit der Entwicklung der Mikrobiologie tauchte ein neuer Kandidat für die Rolle des Moleküls des Urlebens auf.

Es war ein Molekül Ribonukleinsäure - RNA. Dieses Makromolekül, das Teil aller lebenden Zellen ist, ist eine Kette von Nukleotiden - die einfachsten organischen Einheiten, die aus Stickstoffatomen, einem Monosaccharid - Ribose und einer Phosphatgruppe bestehen. Es ist die Nukleotidsequenz, die den Code der Erbinformation darstellt, und in Viren beispielsweise spielt die RNA die Rolle, die die DNA in komplexen Zellstrukturen spielt.

Darüber hinaus haben Wissenschaftler die einzigartige Fähigkeit einiger RNA-Moleküle entdeckt, Brüche in anderen Ketten zu machen oder einzelne RNA-Elemente zusammenzukleben, und einige spielen die Rolle von Autokatalysatoren – sie fördern also die schnelle Selbstreproduktion. Die relativ geringe Größe des RNA-Makromoleküls und seine im Vergleich zur DNA vereinfachte Struktur (in einem Strang) machten Ribonukleinsäure zum Hauptkandidaten für die Rolle des Hauptelements präbiologischer Systeme.

Schließlich wurde 1986 von Walter Gilbert (geboren 1932), einem amerikanischen Physiker, Mikrobiologen und Biochemiker, eine neue Theorie über die Entstehung lebender Materie auf dem Planeten formuliert. Nicht alle Experten stimmten dieser Ansicht über den Ursprung des Lebens auf der Erde zu. Kurz "RNA-Welt" genannt, kann die Theorie des Aufbaus der präbiologischen Welt unseres Planeten die einfache Frage, wie das erste RNA-Molekül mit den gegebenen Eigenschaften entstanden ist, nicht beantworten, auch wenn in der Form von Nukleotiden usw.

PAH-Welt

Die Antwort suchte im Mai 2004 Simon Nicholas Platts und 2006 eine Gruppe von Wissenschaftlern um Pascal Ehrenfreund. Als Ausgangsmaterial für RNA mit katalysierenden Eigenschaften wurden polyaromatische Kohlenwasserstoffe vorgeschlagen.

Die Welt der PAKs basierte auf der hohen Prävalenz dieser Verbindungen im sichtbaren Raum (sie waren wahrscheinlich in der „Ursuppe“ der jungen Erde vorhanden) und den Besonderheiten ihrer ringförmigen Struktur, die eine schnelle Verbindung mit stickstoffhaltigen Basen ermöglicht, die Schlüsselkomponenten der RNA. Die PAH-Theorie spricht noch einmal von der Aktualität einiger Bestimmungen der Panspermie.

Einzigartiges Leben auf einem einzigartigen Planeten

Bis Wissenschaftler die Möglichkeit haben, vor 3 Milliarden Jahren zurückzugehen, wird das Geheimnis des Ursprungs des Lebens auf unserem Planeten nicht gelüftet - zu diesem Schluss kommen viele von denen, die sich mit diesem Problem beschäftigt haben. Die Hauptkonzepte des Ursprungs des Lebens auf der Erde sind: die Theorie der Abiogenese und die Theorie der Panspermie. Sie können sich in vielerlei Hinsicht überschneiden, aber höchstwahrscheinlich werden sie nicht antworten können: Wie ein überraschend genau ausgewogenes System der Erde und ihres Satelliten - der Mond - im weiten Weltraum auftauchte, wie das Leben auf ihm geboren wurde ...