Dzīvības izcelsme uz Zemes: hipotēzes, teorijas, pamatjēdzieni
Zināms, ka zinātniskie žurnāli cenšas nepieņemt publicēšanai rakstus, kas veltīti problēmām, kas piesaista vispārēju uzmanību, bet kurām nav skaidra risinājuma - nopietns fizikas izdevums nepublicēs mūžīgās kustības mašīnas projektu. Šī tēma ir kļuvusi par dzīvības izcelsmi uz Zemes. Jautājums par dzīvās dabas rašanos, par cilvēka parādīšanos domājošus cilvēkus satrauc jau daudzus gadu tūkstošus, un viennozīmīgu atbildi sev ir atraduši tikai kreacionisti – visu lietu dievišķās izcelsmes piekritēji, taču šī teorija nav zinātnisks, jo tas nav pakļauts pārbaudei.
Seno senču skati
Seno ķīniešu un senindiešu rokraksti vēsta par dzīvu radību izcelšanos no ūdens un trūdošām atliekām, senie ēģiptiešu hieroglifi un Senās Babilonijas ķīļraksti apraksta amfībiju radību dzimšanu lielu upju dubļainajos nogulumos. Hipotēzes par dzīvības izcelsmi uz Zemes caur spontānu ģenerēšanu bija acīmredzamas tālās pagātnes gudrajiem.
Senie filozofi sniedza arī piemērus par dzīvnieku parādīšanos no nedzīvas matērijas, taču viņu teorētiskie pamati bija atšķirīgi: materiālistiski un ideālistiski. Demokrits (460-370 BC) dzīvības rašanās iemeslu atrada īpašā mazāko, mūžīgo un nedalāmo daļiņu - atomu mijiedarbībā. Platons (428-347 BC.) Un Aristotelis (384-322 BC).
Ideja par sava veida "dzīvības spēka" esamību, kas veicina dzīvo būtņu rašanos, izrādījās ļoti noturīga. Viņa veidoja uzskatus par dzīvības izcelsmi uz Zemes daudzu zinātnieku vidū, kas dzīvoja viduslaikos un vēlāk, līdz pat 19. gadsimta beigām.
Spontānas paaudzes teorija
Entonijs van Lēvenhuks (1632-1723), izgudrojot mikroskopu, viņa atklātos mazākos mikroorganismus padarīja par galveno strīda objektu starp zinātniekiem, kuriem bija divas galvenās teorijas par dzīvības izcelsmi uz Zemes - bioģenēzi un abioģenēzi. Pirmie uzskatīja, ka visas dzīvās būtnes var būt tikai dzīvo būtņu produkts, otrie uzskatīja, ka ir iespējama organisko vielu spontāna rašanās īpašos apstākļos novietotos šķīdumos. Šī strīda būtība nav mainījusies līdz šim.
Dažu dabaszinātnieku eksperimenti pierādīja vienkāršāko mikroorganismu spontānas parādīšanās iespējamību, bioģenēzes piekritēji šādu iespēju pilnībā noliedza. Luiss Pastērs (1822-1895), izmantojot stingri zinātniskas metodes un savu eksperimentu augstu pareizību, pierādīja, ka nav mītiska dzīvības spēka, kas tiek pārraidīts pa gaisu un radot dzīvas baktērijas. Taču savos darbos viņš pieļāva spontānas rašanās iespējamību kādos īpašos apstākļos, kas bija jānoskaidro nākamo paaudžu zinātniekiem.
Evolūcijas teorija
Izcilā Čārlza Darvina (1809-1882) darbi satricināja daudzu dabaszinātņu pamatus. Viņa pasludinātā milzīga bioloģisko sugu daudzveidības parādīšanās no viena kopīga senča atkal padarīja dzīvības izcelsmi uz Zemes par vissvarīgāko zinātnes jautājumu. Dabiskās atlases teorijai sākumā bija grūti atrast savus piekritējus, un tagad tā piedzīvo kritiskus uzbrukumus, kas izskatās diezgan pamatoti, taču mūsdienu dabaszinātņu pamatā ir darvinisms.
Pēc Darvina bioloģija nevarēja uzskatīt dzīvības izcelsmi uz Zemes no iepriekšējām pozīcijām. Zinātnieki no daudzām bioloģijas zinātnes nozarēm bija pārliecināti par organismu attīstības evolūcijas ceļa patiesumu. Lai mūsdienu uzskati par kopīgo priekšteci, ko Darvins licis pie Dzīvības koka pamatiem, ir daudzējādā ziņā mainījušies, taču vispārējās koncepcijas patiesība ir nesatricināma.
Stacionārā stāvokļa teorija
Spontānas spontānas baktēriju un citu mikroorganismu rašanās laboratorijas atspēkošana, šūnas sarežģītās bioķīmiskās struktūras apzināšanās kopā ar darvinisma idejām īpaši ietekmēja dzīvības rašanās teorijas alternatīvo versiju rašanos. uz Zemes. 1880. gadā vienu no jaunajiem spriedumiem ierosināja Viljams Preiers (1841-1897). Viņš uzskatīja, ka par dzīvības dzimšanu uz mūsu planētas nav jārunā, jo tā pastāv mūžīgi, un tai nebija sākuma kā tāda, tā ir nemainīga un pastāvīgi gatava atdzimšanai jebkuros piemērotos apstākļos.
Preijera un viņa sekotāju idejām ir tikai tīri vēsturiska un filozofiska interese, jo vēlāk astronomi un fiziķi aprēķināja planētu sistēmu galīgās pastāvēšanas termiņus, fiksēja pastāvīgu, bet vienmērīgu Visuma paplašināšanos, tas ir, tā nekad nav bijusi mūžīga vai nemainīgs.
Vēlme aplūkot pasauli kā vienotu globālu dzīvo būtni sasaucās ar lielā zinātnieka un filozofa no Krievijas - Vladimira Ivanoviča Vernadska (1863-1945), kuram arī bija savs priekšstats par dzīvības izcelsmi uz Zemes, viedokli. Tās pamatā bija izpratne par dzīvi kā neatņemamu Visuma, telpas īpašību. Pēc Vernadska domām, fakts, ka zinātne nevarēja atrast slāņus, kuros nebūtu organisko vielu pēdas, runāja par dzīves ģeoloģisko mūžību. Par vienu no veidiem, kā uz jaunās planētas parādījās dzīvība, Vernadskis nosauca tās kontaktus ar kosmosa objektiem – komētām, asteroīdiem un meteorītiem. Šeit viņa teorija saplūda ar citu versiju, kas skaidroja dzīvības izcelsmi uz Zemes ar panspermijas metodi.
Dzīves šūpulis ir kosmoss
Panspermija (grieķu - "sēklu maisījums", "sēklas ir visur") uzskata dzīvību par matērijas pamatīpašību un neizskaidro tās rašanās ceļus, bet sauc kosmosu par dzīvības embriju avotu, kas ar apstākļiem nokrīt uz debess ķermeņiem. piemērots to "dīgšanai".
Pirmo reizi panspermijas pamatjēdzienu pieminēšana atrodama sengrieķu filozofa Anaksagora (500.-428.g.pmē.) rakstos, bet 18. gadsimtā par to runāja franču diplomāts un ģeologs Benuā de Mejē (1656-1738). Šīs idejas atdzīvināja Svante Augusts Arheniuss (1859-1927), lords Kelvins Viljams Tomsons (1824-1907) un Hermanis fon Helmholcs (1821-1894).
Kosmiskā starojuma nežēlīgās ietekmes uz dzīviem organismiem izpēte un starpplanētu telpas temperatūras apstākļi padarīja šādas hipotēzes par dzīvības izcelsmi uz Zemes ne pārāk aktuālas, taču, sākoties kosmosa laikmetam, interese par panspermiju pieauga.
1973. gadā Nobela prēmijas laureāts Frensiss Kriks (1916-2004) izteica ideju par molekulāro dzīvo sistēmu ārpuszemes ražošanu un to triecienu Zemei ar meteorītiem un komētām. Tajā pašā laikā abioģenēzes iespējamību uz mūsu planētas viņš novērtēja kā ļoti zemu. Izcilais zinātnieks neuzskatīja par realitāti dzīvības izcelsmi un attīstību uz Zemes, izmantojot augsta līmeņa organisko vielu pašsavienošanās metodi.
Fosilizētas bioloģiskas struktūras ir atrastas meteorītos visā planētā, līdzīgas pēdas ir atrastas augsnes paraugos, kas atvesti no Mēness un Marsa. No otras puses, tiek veikti daudzi eksperimenti par biostruktūru apstrādi ar ietekmi, kas iespējama, atrodoties kosmosā un ejot zemei līdzīgai atmosfērai.
Svarīgs eksperiments tika veikts 2006. gadā Deep Impact misijas ietvaros. Tempela komētu taranēja īpaša trieciena zonde, ko palaijis automatizēts transportlīdzeklis. Trieciena rezultātā izdalītās komētas vielas analīze parādīja ūdens un dažādu organisko savienojumu klātbūtni tajā.
Secinājums: Kopš tās pirmsākumiem panspermijas teorija ir būtiski mainījusies. Mūsdienu zinātne citādā veidā interpretē tos primāros dzīvības elementus, kurus kosmosa objekti varētu nogādāt uz mūsu jauno planētu. Pētījumi un eksperimenti pierāda dzīvo šūnu dzīvotspēju starpplanētu ceļošanas apstākļos. Tas viss padara ideju par zemes dzīvības ārpuszemes izcelsmi nozīmīgu. Galvenie jēdzieni par dzīvības izcelsmi uz Zemes ir teorijas, kurās panspermija ir iekļauta vai nu kā galvenā daļa, vai kā veids, kā piegādāt sastāvdaļas uz Zemi, lai radītu dzīvu vielu.
Oparin-Haldane Bioķīmiskās evolūcijas teorija
Ideja par spontānu dzīvo organismu ģenerēšanu no neorganiskām vielām vienmēr ir palikusi gandrīz vienīgā alternatīva kreacionismam, un 1924. gadā tika izdota 70 lappušu gara monogrāfija, kas piešķir šai idejai labi attīstītas un pamatotas teorijas spēku. Šo darbu sauca par "Dzīvības izcelsmi", tā autors bija krievu zinātnieks - Aleksandrs Ivanovičs Oparins (1894-1980). 1929. gadā, kad Oparina darbi vēl nebija tulkoti angļu valodā, līdzīgus priekšstatus par dzīvības izcelsmi uz Zemes izteica angļu biologs Džons Haldane (1860-1936).
Oparins izvirzīja teoriju, ka, ja jaunās planētas Zeme primitīvā atmosfēra būtu reduktīva (t.i., bez skābekļa), spēcīgs enerģijas uzliesmojums (piemēram, zibens vai ultravioletais starojums) varētu veicināt organisko savienojumu sintēzi no neorganiskām vielām. Nākotnē šādas molekulas varētu veidot recekļus un kopas - koacervēt pilienus, kas ir protoorganismi, ap kuriem veidojas ūdens apvalki - apvalka-membrānas rudimenti, notiek noslāņošanās, radot lādiņu atšķirību, kas nozīmē, ka kustība ir vielmaiņas sākums, vielmaiņas pamati utt. Koacervāti tika uzskatīti par pamatu evolūcijas procesu sākumam, kas noveda pie pirmo dzīvības formu radīšanas.
Haldane ieviesa jēdzienu "pirmā zupa" - sākotnējais zemes okeāns, kas kļuva par milzīgu ķīmisko laboratoriju, kas savienota ar spēcīgu enerģijas avotu - saules gaismu. Oglekļa dioksīda, amonjaka un ultravioletā starojuma kombinācija ir radījusi koncentrētu organisko monomēru un polimēru populāciju. Pēc tam šādi veidojumi apvienojās ar lipīdu membrānas parādīšanos ap tiem, un to attīstība noveda pie dzīvas šūnas veidošanās.
Galvenie dzīvības rašanās posmi uz Zemes (saskaņā ar Oparin-Haldane)
Saskaņā ar teoriju par Visuma rašanos no enerģijas ķekara, Lielais sprādziens notika apmēram pirms 14 miljardiem gadu, un pirms aptuveni 4,6 miljardiem gadu tika pabeigta Saules sistēmas planētu radīšana.
Jaunā Zeme, pakāpeniski atdziestot, ieguva cietu apvalku, ap kuru veidojās atmosfēra. Primārā atmosfērā atradās ūdens tvaiki un gāzes, kas vēlāk kalpoja par izejvielām organiskajai sintēzei: oglekļa monoksīds un dioksīds, sērūdeņradis, metāns, amonjaks, cianīda savienojumi.
Bombardēšana ar kosmosa objektiem, kas satur sasalušu ūdeni, un ūdens tvaiku kondensācija atmosfērā izraisīja Pasaules okeāna veidošanos, kurā tika izšķīdināti dažādi ķīmiskie savienojumi. Spēcīgi pērkona negaiss pavadīja atmosfēras veidošanos, caur kuru iekļuva spēcīgs ultravioletais starojums. Šādos apstākļos notika aminoskābju, cukuru un citu vienkāršu organisko vielu sintēze.
Zemes pastāvēšanas pirmā miljarda gadu beigās sākās vienkāršāko monomēru polimerizācijas process ūdenī olbaltumvielās (polipeptīdos) un nukleīnskābēs (polinukleotīdos). Tajos sāka veidoties prebioloģiskie savienojumi – koacervāti (ar kodola, vielmaiņas un membrānas rudimentiem).
3,5-3 miljardi gadu pirms mūsu ēras - protobiontu veidošanās stadija ar pašvairošanos, regulētu metabolismu, membrānu ar mainīgu caurlaidību.
3 miljardus gadu pirms mūsu ēras e. - šūnu organismu, nukleīnskābju, primāro baktēriju rašanās, bioloģiskās evolūcijas sākums.
Eksperimentālie pierādījumi Oparina-Haldane hipotēzei
Daudzi zinātnieki pozitīvi novērtēja pamatjēdzienus par dzīvības izcelsmi uz Zemes, pamatojoties uz abioģenēzi, lai gan jau no paša sākuma viņi Oparina-Haldane teorijā atrada vājās vietas un neskaidrības. Dažādās valstīs tika uzsākts darbs pie hipotēzes pārbaudes pētījumu veikšanas, no kurām slavenākais ir klasiskais eksperiments, ko 1953. gadā veica amerikāņu zinātnieki Stenlijs Millers (1930-2007) un Harolds Urijs (1893-1981).
Eksperimenta būtība bija laboratorijā simulēt agrīnās Zemes apstākļus, kuros varēja notikt vienkāršāko organisko savienojumu sintēze. Ierīcē cirkulēja gāzu maisījums, kas pēc sastāva līdzīgs primārajai zemes atmosfērai. Ierīces dizains nodrošināja vulkāniskās aktivitātes imitāciju, un elektriskās izlādes, kas tika izlaistas caur maisījumu, radīja zibens efektu.
Pēc nedēļas, kad maisījums tika cirkulēts caur sistēmu, tika konstatēta desmitās daļas oglekļa pāreja organiskos savienojumos, tika atrastas aminoskābes, cukuri, lipīdi un savienojumi pirms aminoskābēm. Atkārtoti un modificēti eksperimenti ir pilnībā apstiprinājuši abioģenēzes iespējamību agrīnās Zemes simulētajos apstākļos. Turpmākajos gados atkārtoti eksperimenti tika veikti citās laboratorijās. Gāzu maisījuma sastāvam kā iespējama vulkānisko emisiju sastāvdaļa tika pievienots sērūdeņradis un ieviestas citas nekardinālas izmaiņas. Vairumā gadījumu organisko savienojumu sintezēšanas pieredze bija veiksmīga, lai gan mēģinājumi iet tālāk un iegūt sarežģītākus elementus, kas pēc sastāva tuvojas dzīvai šūnai, nav vainagojušies panākumiem.
RNS pasaule
Līdz 20. gadsimta beigām daudziem zinātniekiem, kuri nepārstāja interesēties par dzīvības izcelsmi uz Zemes, kļuva skaidrs, ka ar visu teorētisko konstrukciju harmoniju un skaidru eksperimentālu apstiprinājumu Oparina-Haldane teorija ir izveidojusies. acīmredzami, iespējams, nepārvarami trūkumi. Galvenais no tiem bija neiespējamība izskaidrot dzīvam organismam noteicošo īpašību parādīšanos protobiontos - vairoties ar iedzimto īpašību saglabāšanu. Līdz ar ģenētisko šūnu struktūru atklāšanu, DNS funkcijas un struktūras noteikšanu, mikrobioloģijas attīstību parādījās jauns kandidāts pirmatnējās dzīvības molekulas lomai.
Tā bija ribonukleīnskābes – RNS – molekula. Šī makromolekula, kas ir daļa no visām dzīvajām šūnām, ir nukleotīdu ķēde - visvienkāršākās organiskās vienības, kas sastāv no slāpekļa atomiem, monosaharīda - ribozes un fosfātu grupas. Tieši nukleotīdu secība ir iedzimtas informācijas kods, un, piemēram, vīrusos RNS spēlē lomu, ko DNS spēlē sarežģītās šūnu struktūrās.
Turklāt zinātnieki ir atklājuši dažu RNS molekulu unikālo spēju veikt pārrāvumus citās ķēdēs vai salīmēt kopā atsevišķus RNS elementus, un dažas pilda autokatalizatora lomu – tas ir, veicina ātru pašarošanos. Salīdzinoši mazais RNS makromolekulas izmērs un tās vienkāršotā, salīdzinot ar DNS, struktūra (vienā virknē) padarīja ribonukleīnskābi par galveno kandidātu prebioloģisko sistēmu galvenā elementa lomai.
Visbeidzot, amerikāņu fiziķis, mikrobiologs un bioķīmiķis Valters Gilberts (dzimis 1932. gadā) 1986. gadā formulēja jaunu teoriju par dzīvās vielas izcelsmi uz planētas. Ne visi eksperti piekrita šim uzskatam par dzīvības izcelsmi uz Zemes. Mūsu planētas prebioloģiskās pasaules uzbūves teorija, kas īsi nosaukta par "RNS pasauli", nevar atbildēt uz vienkāršu jautājumu par to, kā parādījās pirmā RNS molekula ar vēlamajām īpašībām, pat ja tajā bija milzīgs daudzums "būvmateriālu". nukleotīdu forma utt.
PAH pasaule
Atbildi 2004. gada maijā meklēja Saimons Nikolass Plats, bet 2006. gadā zinātnieku grupa Paskāla Ērenfreunda vadībā. Poliaromātiskie ogļūdeņraži ir ierosināti kā izejmateriāls RNS ar katalizējošām īpašībām.
PAO pasaule balstījās uz šo savienojumu lielo izplatību redzamajā telpā (tie, iespējams, atradās jaunās Zemes “pirmzupā”) un to gredzenveida struktūras īpatnībām, kas veicina ātru savienojumu ar slāpekļa bāzēm, RNS galvenās sastāvdaļas. PAH teorija atkal runā par dažu panspermijas nosacījumu aktualitāti.
Unikāla dzīve uz unikālas planētas
Kamēr zinātniekiem nebūs iespēja atgriezties 3 miljardu gadu senā pagātnē, mūsu planētas dzīvības rašanās noslēpums netiks atklāts – pie šāda secinājuma nonāk daudzi no tiem, kas nodarbojās ar šo problēmu. Galvenie jēdzieni par dzīvības izcelsmi uz Zemes ir: abioģenēzes teorija un panspermijas teorija. Tie var krustoties dažādos veidos, taču, visticamāk, viņi nevarēs atbildēt: kā pārsteidzoši precīzi līdzsvarota Zemes un tās pavadoņa sistēma - Mēness parādījās starp plašo kosmosu, kā uz tā dzima dzīvība ...
