Izvor življenja na Zemlji: hipoteze, teorije, osnovni pojmi

Znano je, da se znanstvene revije ne trudijo sprejeti člankov za objavo, ki so namenjeni problemom, ki pritegnejo pozornost, ampak nimajo jasne rešitve - resna izdaja o fiziki ne bo objavila osnutka stroja za stalno gibanje. Ta tema je bila izvor življenja na Zemlji. Vprašanje nastanka narave, videza človeka, je zaskrbljujoče mislil ljudi že tisoče let, in samo kreacionisti - podporniki božanskega izvora vseh stvari - so našli samoumevni odgovor, toda ta teorija ni znanstvena, ker ni podvržena preverjanju.

Pogledi starih

Starodavni kitajski in starodavni indijski rokopisi govorijo o pojavu živih bitij iz vode in razpadajočih ostankov, egipčanski hieroglifi in klinasto pisanje starodavnega Babilona nam povedo o rojstvu amfibijskih bitij v muljevitih sedimentih velikih rek. Hipoteze o izvoru življenja na Zemlji skozi spontano generacijo so bile očitne za modrece iz daljne preteklosti.

Starodavni filozofi so podali tudi primere pojava živali iz nežive snovi, vendar so bile njihove teoretične podlage drugačne narave: materialistične in idealistične. Demokrit (460-370 pr. N. Št.) Je našel vzrok za nastanek življenja v posebni interakciji najmanjših, večnih in nedeljivih delcev - atomov. Platon (428-347 pr. N. Št.) In Aristotel (384-322 pr. N. Št.) Izvor življenja na Zemlji je bil pripisan čudežnim učinkom na brezživotno snov višjega načela, ki dušo vdihava v predmete narave.

Ideja o obstoju neke vrste »življenjske sile«, ki prispeva k pojavu živih bitij, se je izkazala za zelo stabilno. Za mnoge znanstvenike, ki so živeli v srednjem veku in kasneje, do konca XIX. Stoletja, so nastali pogledi na izvor življenja na Zemlji.

Teorija spontane generacije

Anthony van Leeuwenhoek (1632-1723) je z izumom mikroskopa naredil najmanjše mikroorganizme, ki jih je odkril, glavni predmet spora med znanstveniki, ki so razdelili dve glavni teoriji o izvoru življenja na Zemlji - biogeneza in abiogeneza. Prvi je verjel, da je vse življenje lahko le ustvarjanje žive stvari, slednje pa verjame, da je možno spontano nastajanje organskih snovi v raztopinah, ki so dane v posebne pogoje. Bistvo tega spora se doslej ni spremenilo.

Poskusi nekaterih naravoslovcev so dokazali možnost spontanega pojava najpreprostejših mikroorganizmov, zagovorniki biogeneze pa so to možnost popolnoma zanikali. Louis Pasteur (1822-1895), ki je uporabljal strogo znanstvene metode in visoko pravilnost svojih poskusov, je dokazal odsotnost mitske vitalne sile, ki se prenaša skozi zrak in povzroča žive bakterije. Vendar pa je v svojih delih dovolil možnost spontane generacije v nekaterih posebnih pogojih, ki so jih morali ugotoviti znanstveniki prihodnjih generacij.

Teorija evolucije

Zapisi velikega Charlesa Darwina (1809-1882) so pretresli temelje mnogih naravoslovnih znanosti. Razglašeno pojavljanje velike raznolikosti bioloških vrst iz enega skupnega prednika je spet pomenilo izvor življenja na Zemlji najpomembnejše vprašanje znanosti. Teorija naravna selekcija in na začetku je bilo težko najti svoje podpornike, zdaj pa se soočajo s kritičnimi napadi, ki se zdijo razumno precej, vendar je Darwinizem tisto, ki temelji na sodobnih naravoslovnih vedah.

Po Darwinu se izvor življenja na biologiji Zemlje ne more obravnavati iz njihovih prejšnjih položajev. Znanstveniki številnih vej bioloških znanosti so bili prepričani v resničnost evolucijske poti razvoja organizmov. Naj se sodobni pogledi na skupnega prednika, ki ga je Darwin postavil v temelj drevesa življenja, spremenili na več načinov, vendar je resnica splošnega koncepta neomajna.

Teorija stacionarnega stanja

Laboratorijsko izpodbijanje spontane spontane generacije bakterij in drugih mikroorganizmov, zavedanje kompleksne biokemične strukture celice, skupaj z idejami darvinizma, je imelo poseben vpliv na pojav alternativnih različic teorije o izvoru življenja na Zemlji. Leta 1880 je William Preyer (1841-1897) predlagal eno od novih predlogov. Verjel je, da ni potrebno govoriti o rojstvu življenja na našem planetu, saj obstaja večno in ni imel začetka kot takega, je nespremenljiv in nenehno pripravljen na ponovno rojstvo v vseh primernih pogojih.

Ideje Preyerja in njegovih privržencev so zgolj zgolj zgodovinsko in filozofsko zanimive, ker so kasneje astronomi in fiziki izračunali čas za končni obstoj planetarnih sistemov, določili konstantno, a stabilno širjenje vesolja, torej nikoli ni bilo večno ali trajno.

Želja po gledanju na svet kot na enotno globalno živo bitje je odmevala pogledom velikega ruskega znanstvenika in filozofa - Vladimirja Ivanoviča Vernadskega (1863-1945), ki je imel tudi svojo idejo o izvoru življenja na Zemlji. Temeljil je na razumevanju življenja kot integralne značilnosti vesolja, kozmosa. Dejstvo, da znanost ni našla plasti, ki ne vsebujejo sledi organske snovi, je po besedah ​​Vernadskega govorilo o geološki večnosti življenja. Eden od načinov, kako se je življenje pojavilo na mladem planetu, je Vernadski imenoval njegove stike s vesoljskimi predmeti - kometi, asteroidi in meteoriti. Tu se je njegova teorija združila z drugo različico, ki je pojasnila izvor življenja na Zemlji z metodo panspermije.

Zibelka življenjskega prostora

Panspermia (grška - "semenska mešanica", "seme povsod") šteje življenje za temeljno lastnost materije in ne razlaga načinov njenega izvora, prostor pa imenuje vir življenjskih klic, ki padejo na nebesna telesa s pogoji, primernimi za njihovo kalitev.

Prva omemba osnovnih pojmov panspermije najdemo v spisih starogrškega filozofa Anaksagore (500-428 pr. N. Št.). e.), in v XVIII. stoletju je govorila o svojem francoskem diplomatu in geologu Benoitu de Maya (1656-1738 gg.). Te ideje so obnovili Svante August Arrhenius (1859-1927), Lord Kelvin William Thomson (1824-1907) in Hermann von Helmholtz (1821-1894).

Študija krutih vplivov na žive organizme kozmičnega sevanja in temperaturne razmere medplanetarnega prostora so naredile takšne hipoteze o izvoru življenja na Zemlji zelo nepomembne, vendar se je z začetkom vesoljske dobe povečalo zanimanje za panpermijo.

Leta 1973 je Nobelov nagrajenec Francis Crick (1916-2004) predlagal zunajzemeljsko proizvodnjo molekularnih živih sistemov in jih udaril na Zemljo z meteoriti in kometi. Hkrati so bile možnosti za abiogenezo na našem planetu ocenjene kot zelo nizke. Nastanek in razvoj življenja na Zemlji s samo-montažo organske snovi ugledni znanstveniki na visoki ravni niso upoštevali realnosti.

Okamenjene biološke strukture so bile najdene v meteoritih po vsem planetu, podobne sledi so našli v vzorcih tal, odvzetih iz Lune in Marsa. Po drugi strani pa se izvajajo številni poskusi obdelave biostruktur z vplivi, ki so možni, ko se nahajajo v vesolju in pri prehodu skozi atmosfero, podobno tisti na Zemlji.

Pomemben poskus je bil izveden leta 2006 kot del misije Deep Impact. Komet Tempel je bil zaboden s posebno sondo, ki jo je izdal avtomatski aparat. Analiza kometne snovi, ki je nastala zaradi vpliva, je pokazala prisotnost vode in raznolikost organske spojine.

Zaključek: ker se je pojav teorije panspermije bistveno spremenil. Sodobna znanost različno obravnava tiste primarne elemente življenja, ki bi jih vesoljski objekti lahko dostavili na naš mladi planet. Raziskave in poskusi dokazujejo sposobnost živih celic pri medplanetnem potovanju. Zaradi vsega tega je pomembna ideja o zunajzemeljskem izvoru zemeljskega življenja. Osnovni pojmi o izvoru življenja na Zemlji so teorije, v katere vstopa panspermija bodisi kot glavni del, bodisi kot način za dostavo komponent na Zemljo za ustvarjanje žive snovi.

Teorija biokemijske evolucije Oparin-Haldane

Zamisel o spontani generaciji živih organizmov anorganske snovi vedno je ostala skoraj edina alternativa kreacionizmu, leta 1924 pa je izšla monografija v 70 straneh, ki je tej ideji dala moč razvite in utemeljene teorije. To delo se je imenovalo "Izvor življenja", avtor tega je bil ruski znanstvenik - Alexander Ivanovič Oparin (1894-1980). Leta 1929, ko dela Oparina še niso bila prevedena v angleščino, je angleški biolog John Haldane (1860-1936) izrazil podobne koncepte o izvoru življenja na Zemlji.

Oparin je predlagal, da bi lahko, če se primitivno vzdušje mladega planeta Zemlja zmanjšuje (to je ne vsebuje kisika), močna eksplozija energije (na primer strele ali ultravijoličnega sevanja) prispeva k sintezi organskih spojin iz anorganske snovi. Posledično bi lahko takšne molekule tvorile strdke in kopičenja - kapljice koacervate, ki so protoorganizmi, okoli katerih se oblikujejo srajce za vodo - osnove membranske membrane, ločevanje, ki povzroča razliko v nabojih, torej gibanje - začetek metabolizma, začetki presnove itd. Koatservati so se šteli za podlago za začetek evolucijskih procesov, ki so privedli do oblikovanja prvih življenjskih oblik.

Haldane je predstavil koncept "primarne juhe" - začetni ocean zemlje, ki je postal velik kemijski laboratorij, povezan z močnim virom hrane - sončno svetlobo. Kombinacija ogljikovega dioksida, amoniaka in ultravijoličnega sevanja je povzročila nastanek koncentrirane populacije organskih monomerov in polimerov. Kasneje so se takšne formacije povezale z videzom lipidne membrane okoli njih, njihov razvoj pa je privedel do nastanka žive celice.

Glavne faze izvora življenja na Zemlji (Oparin-Haldane)

V skladu s teorijo o pojavu vesolja iz skupine energije se je Big Bang pojavil pred približno 14 milijardami let, pred približno 4,6 milijarde let pa je bilo dokončano oblikovanje planetov sončnega sistema.

Mlada Zemlja, ki se je postopoma ohladila, je pridobila trdno lupino, okoli katere je nastala atmosfera. Primarna atmosfera je vsebovala vodne pare in pline, ki so kasneje služili kot surovina za organsko sintezo: ogljikov oksid in dioksid, vodikov sulfid, metan, amoniak, spojine cianida.

Bombardiranje vesoljskih objektov, ki so vsebovali vodo v zamrznjenem stanju, in kondenzacija vodne pare v ozračju sta povzročila nastanek svetovnega oceana, v katerem so se raztopile različne kemične spojine. Močne nevihte so spremljale nastanek atmosfere, skozi katero je prodrlo močno ultravijolično sevanje. V takih pogojih je potekala sinteza aminokislin, sladkorjev in drugih najpreprostejših organskih snovi.

Ob koncu prve milijarde let obstoja Zemlje, proces polimerizacije najpreprostejših monomerov v beljakovine (polipeptide) in nukleinske kisline (polinukleotidi). Začeli so oblikovati prebiološke spojine - koacervate (z začetki jedra, presnovo in membrano).

3,5-3 milijarde let pred našim štetjem - stopnja nastajanja protobiontov z lastno reprodukcijo, nadzorovanim metabolizmom, membrana s spremenljivo permeabilnostjo.

3 milijarde let pred našim štetjem e. - pojav celičnih organizmov, nukleinskih kislin, primarnih bakterij, začetek biološke evolucije.

Eksperimentalni dokazi za hipotezo Oparin-Haldane

Mnogi znanstveniki so pozitivno ocenili osnovne koncepte izvora življenja na Zemlji na podlagi abiogeneze, čeprav so od samega začetka odkrili ozka grla in zadržke v Oparin-Haldaneovi teoriji. V različnih državah se je začelo delo na preizkusnih študijah hipoteze, pri čemer je najbolj znan klasični eksperiment, ki so ga leta 1953 izvedli ameriški znanstveniki Stanley Miller (1930–2007) in Harold Urey (1893–1981).

Bistvo eksperimenta je bilo simuliranje pogojev zgodnje Zemlje v laboratoriju, v katerem bi lahko sintetizirali najenostavnejše organske spojine. Plinska mešanica, podobna po sestavi primarni zemeljski atmosferi, kroži v napravi. Načrtovanje naprave je imitiralo vulkansko aktivnost, električni izpusti, ki so se prenašali skozi mešanico, so ustvarili učinek strele.

Po tedenskem kroženju zmesi skozi sistem smo desetino ogljika prenesli na organske spojine, ugotovili smo aminokisline, sladkorje, lipide in spojine pred aminokislinami. Ponovljeni in modificirani poskusi so v celoti potrdili možnost abiogeneze v simuliranih pogojih zgodnje Zemlje. V naslednjih letih so drugi laboratoriji izvajali večkratne poskuse. V sestavo plinske mešanice je bil kot možni sestavni del vulkanskih emisij dodan vodikov sulfid, izvedene pa so bile tudi druge ne-kardinalne spremembe. V večini primerov je bila izkušnja sinteze organskih spojin uspešna, čeprav poskusi, da bi šli dlje in dobili bolj kompleksne elemente, ki se približujejo sestavi žive celice, niso bili uspešni.

Svet RNA

Do konca 20. stoletja je veliko znanstvenikov, ki se niso zanimali za problem izvora življenja na Zemlji, postalo jasno, da je z vsemi simetrijami teoretskih konstrukcij in različnimi eksperimentalnimi potrditvami Oparin-Haldaneova teorija očitna, morda nepremagljiva, pomanjkljivosti. Najpomembnejša je bila nezmožnost pojasnjevanja videza lastnosti v protobiontih, ki določajo za živi organizem, da se pomnoži ob ohranjanju dednih značilnosti. Z odkritjem genetskih celičnih struktur, z opredelitvijo funkcije in strukture DNK, z razvojem mikrobiologije, se je pojavil nov kandidat za vlogo molekule prvega življenja.

Postala je molekula ribonukleinske kisline - RNA. Ta makromolekula, ki je del vseh živih celic, je veriga nukleotidov - najpreprostejših organskih enot, ki jih sestavljajo atomi dušika, monosaharid - riboza in fosfatna skupina. Zaporedje nukleotidov je koda dednih informacij, pri virusih pa na primer RNA igra vlogo, ki jo igra DNA v kompleksnih celičnih strukturah.

Poleg tega so znanstveniki odkrili edinstveno sposobnost nekaterih molekul RNA, da vstavijo prelome v druge verige ali zlepijo posamezne elemente RNA, nekatere pa igrajo vlogo avtokatalizatorjev - to pomeni, da prispevajo k hitri reprodukciji. Relativno majhna velikost makromolekule RNA in njena poenostavljena struktura v primerjavi z DNK, ki sta zgradili (v eni veji), sta ribonukleinsko kislino postavila kot glavni kandidat za vlogo glavnega elementa prebioloških sistemov.

Končno teorijo o nastanku žive snovi na planetu je leta 1986 oblikoval Walter Gilbert (rojen 1932) - ameriški fizik, mikrobiolog in biokemičar. Vsi strokovnjaki se niso strinjali s tem mnenjem o izvoru življenja na Zemlji. Na kratko poimenovana "svet RNA", teorija strukture prebiološkega sveta našega planeta ne more odgovoriti na preprosto vprašanje, kako se je pojavila prva molekula RNA z želenimi lastnostmi, tudi če je bila ogromna količina "gradbenega materiala" v obliki nukleotidov itd.

Pau World

Odgovor je poskušal najti maja 2004 Simon Nicholas Platts, leta 2006 pa skupina znanstvenikov pod vodstvom Pascala Ehrenfreunda. Poliaromatski ogljikovodiki so bili predlagani kot izhodni material za RNA s katalitskimi lastnostmi.

Svet PAH temelji na visoki prevalenci teh spojin v vidnem prostoru (prisotne morajo biti v »primarni brozgi« mlade Zemlje) in posebnostih njihove obročaste strukture, ki prispevajo k hitri povezavi z dušikovimi bazami, ključnimi komponentami RNA. Teorija PAH še enkrat govori o aktualnosti nekaterih določb panspermije.

Edinstveno življenje na edinstvenem planetu

Dokler znanstveniki ne bodo imeli priložnosti, da bi se vrnili pred 3 milijardami let, se ne bo razkrila skrivnost izvora življenja na našem planetu - veliko tistih, ki so se ukvarjali s tem problemom, so prišli do tega zaključka. Osnovni pojmi o izvoru življenja na Zemlji so: teorija abiogeneze in teorija pantpermije. Lahko se križajo na več načinov, vendar najverjetneje ne bodo mogli odgovoriti: kako se je med ogromnim kozmosom pojavil presenetljivo dobro uravnotežen sistem od Zemlje in njenega satelita, Lune, kako je izviralo življenje na njem ...