Происхождение жизни

История изучения происхождения жизни

Спонтанное генерирование

До начала 19 века многие люди верили в обычное спонтанное поколение жизни из неживой материи. Это было названо спонтанным поколением, и было опровергнуто Луи Пастером. Он показал, что без спор на стерильном материале не растут бактерии и вирусы.

Darwin

В письме Джозефу Далтону Хукеру от 11 февраля 1871 года Чарльз Дарвин предложил естественный процесс возникновения жизни.

Он предположил, что изначальная искра жизни могла начаться в "теплом маленьком пруду, со всевозможными аммиаком и фосфорными солями, светом, теплом, электричеством и т.д.". Затем химически образовалось белковое соединение, готовое к еще более сложным изменениям". Далее он объяснил, что "в настоящее время такая материя мгновенно поглощается или поглощается, чего не было до образования живых существ".

Халдан и Опарин

Никакого реального прогресса не было достигнуто до 1924 года, когда Александр Опарин аргументировал это тем, что атмосферный кислород препятствует синтезу органических молекул. Органические молекулы являются необходимыми строительными блоками для эволюции жизни. В своей работе "Происхождение жизни" Опарин утверждал, что "первобытный суп" из органических молекул может быть создан в атмосфере без кислорода под действием солнечного света. Они будут сочетаться во все более и более сложных модах, пока не образуются капли. Эти капли "росли" путем слияния с другими каплями и "размножались" путем деления на дочерние капли, а также имели примитивный метаболизм, при котором выживали те факторы, которые способствуют "целостности клетки", те, которые не вымерли. Многие современные теории происхождения жизни до сих пор воспринимают идеи Опарина в качестве отправной точки.

Примерно в то же время Дж. Б. С. Халдейн также предположил, что пребиотические океаны Земли, которые сильно отличались от тех, что есть сейчас, образовали бы "горячий разбавленный суп". В этом супе могли образоваться органические соединения - строительные блоки жизни. Эта идея называлась биопоэз, процесс эволюции живой материи из саморазмножающихся, но неживых молекул.

Александр Опарин (справа) в лаборатории.

История изучения происхождения жизни

Спонтанное генерирование

До начала 19 века многие люди верили в обычное спонтанное поколение жизни из неживой материи. Это было названо спонтанным поколением, и было опровергнуто Луи Пастером. Он показал, что без спор на стерильном материале не растут бактерии и вирусы.

Darwin

В письме Джозефу Далтону Хукеру от 11 февраля 1871 года Чарльз Дарвин предложил естественный процесс возникновения жизни.

Он предположил, что изначальная искра жизни могла начаться в "теплом маленьком пруду, со всевозможными аммиаком и фосфорными солями, светом, теплом, электричеством и т.д.". Затем химически образовалось белковое соединение, готовое к еще более сложным изменениям". Далее он объяснил, что "в настоящее время такая материя мгновенно поглощается или поглощается, чего не было до образования живых существ".

Халдан и Опарин

Никакого реального прогресса не было достигнуто до 1924 года, когда Александр Опарин аргументировал это тем, что атмосферный кислород препятствует синтезу органических молекул. Органические молекулы являются необходимыми строительными блоками для эволюции жизни. В своей работе "Происхождение жизни" Опарин утверждал, что "первобытный суп" из органических молекул может быть создан в атмосфере без кислорода под действием солнечного света. Они будут сочетаться во все более и более сложных модах, пока не образуются капли. Эти капли "росли" путем слияния с другими каплями и "размножались" путем деления на дочерние капли, а также имели примитивный метаболизм, при котором выживали те факторы, которые способствуют "целостности клетки", те, которые не вымерли. Многие современные теории происхождения жизни до сих пор воспринимают идеи Опарина в качестве отправной точки.

Примерно в то же время Дж. Б. С. Халдейн также предположил, что пребиотические океаны Земли, которые сильно отличались от тех, что есть сейчас, образовали бы "горячий разбавленный суп". В этом супе могли образоваться органические соединения - строительные блоки жизни. Эта идея называлась биопоэз, процесс эволюции живой материи из саморазмножающихся, но неживых молекул.

Первые условия на Земле

Почти нет геологических записей до 3,8 миллиардов лет назад. Окружающая среда, которая существовала в эпоху Хадиана, была враждебна к жизни, но насколько это неизвестно. Было время, между 3,8 и 4,1 миллиардами лет назад, которое известно как Поздняя тяжелая бомбардировка. Он назван так потому, что многие лунные кратеры, как полагают, образовались тогда. Ситуация на других планетах, таких как Земля, Венера, Меркурий и Марс, должно быть, была похожа. Эти удары, скорее всего, стерилизовали бы Землю (убили бы всю жизнь), если бы она существовала в то время.

Несколько человек предположили, что химические вещества в клетке дают ключ к разгадке того, каким должно быть раннее море. В 1926 году Макаллум отметил, что неорганический состав цитозола клетки резко отличается от состава современной морской воды: "Клетка... обладает дарами, передаваемыми из прошлого почти так же отдаленно, как и происхождение жизни на Земле". Например: "Все клетки содержат гораздо больше калия, фосфатов и переходных металлов, чем современные... океаны, озера или реки". "При аноксической, CO2 преобладающей изначальной атмосфере, химия внутренних бассейнов на геотермальных полях была бы [как химия внутри] современных ячеек".

Температура

Если бы жизнь развивалась в глубоководных районах океана, вблизи гидротермальных жерл, она могла бы зародиться еще 4-4,2 миллиарда лет назад. Если же, с другой стороны, жизнь зародилась на поверхности планеты, то, по общему мнению, это могло произойти только между 3,5 и 4 миллиардами лет назад.

Lazcano и Miller (1994) предполагают, что скорость молекулярной эволюции была продиктована скоростью циркуляции воды через срединно-океанические подводные вентиляционные отверстия. Полная рециркуляция занимает 10 миллионов лет, поэтому любые органические соединения, произведенные к тому времени, будут изменяться или разрушаться при температурах, превышающих 300 °C. По их оценкам, для создания 100-килобазного генома ДНК/белкового примитивного гетеротрофа в 7000 генных нитевидных цианобактерий потребовалось бы всего 7 миллионов лет.

История земной атмосферы

Первоначально в атмосфере Земли почти не было свободного кислорода. Постепенно, в течение очень долгого времени, она стала такой, какая она есть сегодня (см. "Великое событие насыщения кислородом"). Процесс начался с цианобактерий. Они были первыми организмами, которые производили свободный кислород путем фотосинтеза. Большинство организмов сегодня нуждается в кислороде для своего метаболизма; лишь немногие из них могут использовать другие источники для дыхания.

Поэтому ожидается, что первые протоорганизмы были химиоаутотрофами и не использовали аэробного дыхания. Они были анаэробными.

Первые условия на Земле

Почти нет геологических записей до 3,8 миллиардов лет назад. Окружающая среда, которая существовала в эпоху Хадиана, была враждебна к жизни, но насколько это неизвестно. Было время, между 3,8 и 4,1 миллиардами лет назад, которое известно как Поздняя тяжелая бомбардировка. Он назван так потому, что многие лунные кратеры, как полагают, образовались тогда. Ситуация на других планетах, таких как Земля, Венера, Меркурий и Марс, должно быть, была похожа. Эти удары, скорее всего, стерилизовали бы Землю (убили бы всю жизнь), если бы она существовала в то время.

Несколько человек предположили, что химические вещества в клетке дают ключ к разгадке того, каким должно быть раннее море. В 1926 году Макаллум отметил, что неорганический состав цитозола клетки резко отличается от состава современной морской воды: "Клетка... обладает дарами, передаваемыми из прошлого почти так же отдаленно, как и происхождение жизни на Земле". Например: "Все клетки содержат гораздо больше калия, фосфатов и переходных металлов, чем современные... океаны, озера или реки". "При аноксической, CO2 преобладающей изначальной атмосфере, химия внутренних бассейнов на геотермальных полях была бы [как химия внутри] современных ячеек".

Температура

Если бы жизнь развивалась в глубоководных районах океана, вблизи гидротермальных жерл, она могла бы зародиться еще 4-4,2 миллиарда лет назад. Если же, с другой стороны, жизнь зародилась на поверхности планеты, то, по общему мнению, это могло произойти только между 3,5 и 4 миллиардами лет назад.

Lazcano и Miller (1994) предполагают, что скорость молекулярной эволюции была продиктована скоростью циркуляции воды через срединно-океанические подводные вентиляционные отверстия. Полная рециркуляция занимает 10 миллионов лет, поэтому любые органические соединения, произведенные к тому времени, будут изменяться или разрушаться при температурах, превышающих 300 °C. По их оценкам, для создания 100-килобазного генома ДНК/белкового примитивного гетеротрофа в 7000 генных нитевидных цианобактерий потребовалось бы всего 7 миллионов лет.

История земной атмосферы

Первоначально в атмосфере Земли почти не было свободного кислорода. Постепенно, в течение очень долгого времени, она стала такой, какая она есть сегодня (см. "Великое событие насыщения кислородом"). Процесс начался с цианобактерий. Они были первыми организмами, которые производили свободный кислород путем фотосинтеза. Большинство организмов сегодня нуждается в кислороде для своего метаболизма; лишь немногие из них могут использовать другие источники для дыхания.

Поэтому ожидается, что первые протоорганизмы были химиоаутотрофами и не использовали аэробного дыхания. Они были анаэробными.

Существующие модели

Нет никакой "стандартной модели" о том, как начиналась жизнь. Большинство принятых моделей построено на основе молекулярной биологии и клеточной биологии:

1. Потому что есть правильные условия, создаются некоторые основные маленькие молекулы. Они называются монерами жизни. Аминокислоты - один из типов этих молекул. Это было доказано экспериментом Миллера-Урея, проведенным Стэнли Л. Миллером и Гарольдом К. Уреем в 1953 году, и теперь мы знаем, что эти основные строительные блоки являются общими для всего космоса. Ранняя Земля имела бы их все.
2. Фосфолипиды, которые могут образовывать липидные бислоиды, основной компонент клеточной мембраны.
3. Нуклеотиды, которые могут соединяться в случайные молекулы РНК. Это могло привести к самореплицирующимся рибозимам (гипотеза о мире РНК).
4. Конкуренция за субстраты будет выбирать мини-белки в ферменты. Рибосома имеет решающее значение для синтеза белков в современных клетках, но мы понятия не имеем, как она развивалась.
5. Раньше рибонуклеиновые кислоты были бы катализаторами, но позже нуклеиновые кислоты стали специализироваться на геномном использовании.

Происхождение основных биомолекул, хотя и не урегулировано, менее спорно, чем значение и порядок этапов 2 и 3. Основными химическими веществами, из которых, как считается, сформировалась жизнь, являются:

• Метан (CH4),
• Аммиак (NH3),
• Вода (H2O),
• Сероводород (H2S),
• диоксид углерода (CO2) или окись углерода (CO), и
• Фосфат (PO43-).

Молекулярный кислород (О2) и озон (О3) были либо редкими, либо отсутствовали.

Три этапа

• Этап 1: Происхождение биологических мономеров
• Этап 2: Происхождение биологических полимеров
• Стадия 3: Эволюция от молекул к клеткам

Бернал предположил, что эволюция, возможно, началась раньше, в промежутке времени между первой и второй стадиями.

Существующие модели

Нет никакой "стандартной модели" о том, как начиналась жизнь. Большинство принятых моделей построено на основе молекулярной биологии и клеточной биологии:

1. Потому что есть правильные условия, создаются некоторые основные маленькие молекулы. Они называются монерами жизни. Аминокислоты - один из типов этих молекул. Это было доказано экспериментом Миллера-Урея, проведенным Стэнли Л. Миллером и Гарольдом К. Уреем в 1953 году, и теперь мы знаем, что эти основные строительные блоки являются общими для всего космоса. Ранняя Земля имела бы их все.
2. Фосфолипиды, которые могут образовывать липидные бислоиды, основной компонент клеточной мембраны.
3. Нуклеотиды, которые могут соединяться в случайные молекулы РНК. Это могло привести к самореплицирующимся рибозимам (гипотеза о мире РНК).
4. Конкуренция за субстраты будет выбирать мини-белки в ферменты. Рибосома имеет решающее значение для синтеза белков в современных клетках, но мы понятия не имеем, как она развивалась.
5. Раньше рибонуклеиновые кислоты были бы катализаторами, но позже нуклеиновые кислоты стали специализироваться на геномном использовании.

Происхождение основных биомолекул, хотя и не урегулировано, менее спорно, чем значение и порядок этапов 2 и 3. Основными химическими веществами, из которых, как считается, сформировалась жизнь, являются:

• Метан (CH4),
• Аммиак (NH3),
• Вода (H2O),
• Сероводород (H2S),
• диоксид углерода (CO2) или окись углерода (CO), и
• Фосфат (PO43-).

Молекулярный кислород (О2) и озон (О3) были либо редкими, либо отсутствовали.

Три этапа

• Этап 1: Происхождение биологических мономеров
• Этап 2: Происхождение биологических полимеров
• Стадия 3: Эволюция от молекул к клеткам

Бернал предположил, что эволюция, возможно, началась раньше, в промежутке времени между первой и второй стадиями.

Происхождение органических молекул

На ранней Земле есть три источника органических молекул:

1. органический синтез с помощью источников энергии (таких как ультрафиолетовый свет или электрические разряды).
2. доставка внеземными объектами, такими как углеродистые метеориты (хондриты);
3. органический синтез, вызванный ударными воздействиями.

Оценки этих источников позволяют предположить, что в результате мощных бомбардировок, имевших место до 3,5 миллиарда лет назад, количество органических веществ было сопоставимо с количеством, получаемым из других источников энергии.

Эксперимент Миллера и первозданный суп...

В 1953 году аспирант Стэнли Миллер и его профессор Гарольд Урей провели эксперимент, который показал, как органические молекулы могли образоваться на ранней Земле из неорганических предшественников.

В известном в настоящее время эксперименте Миллер-Урея использована сильно восстановленная смесь газов - метана, аммиака и водорода - для образования основных органических мономеров, таких как аминокислоты. Теперь мы знаем, что более чем за первую половину истории Земли в его атмосфере практически не было кислорода.

эксперименты Фокса

В 1950-х и 1960-х годах Сидней У. Фокс изучал самопроизвольное формирование пептидных структур в условиях, которые могли существовать на ранних стадиях истории Земли. Он продемонстрировал, что аминокислоты сами по себе могут образовывать небольшие пептиды. Эти аминокислоты и мелкие пептиды можно было бы стимулировать к образованию закрытых сферических мембран, называемых микросферами.

Происхождение органических молекул

На ранней Земле есть три источника органических молекул:

1. органический синтез с помощью источников энергии (таких как ультрафиолетовый свет или электрические разряды).
2. доставка внеземными объектами, такими как углеродистые метеориты (хондриты);
3. органический синтез, вызванный ударными воздействиями.

Оценки этих источников позволяют предположить, что в результате мощных бомбардировок, имевших место до 3,5 миллиарда лет назад, количество органических веществ было сопоставимо с количеством, получаемым из других источников энергии.

Эксперимент Миллера и первозданный суп...

В 1953 году аспирант Стэнли Миллер и его профессор Гарольд Урей провели эксперимент, который показал, как органические молекулы могли образоваться на ранней Земле из неорганических предшественников.

В известном в настоящее время эксперименте Миллер-Урея использована сильно восстановленная смесь газов - метана, аммиака и водорода - для образования основных органических мономеров, таких как аминокислоты. Теперь мы знаем, что более чем за первую половину истории Земли в его атмосфере практически не было кислорода.

эксперименты Фокса

В 1950-х и 1960-х годах Сидней У. Фокс изучал самопроизвольное формирование пептидных структур в условиях, которые могли существовать на ранних стадиях истории Земли. Он продемонстрировал, что аминокислоты сами по себе могут образовывать небольшие пептиды. Эти аминокислоты и мелкие пептиды можно было бы стимулировать к образованию закрытых сферических мембран, называемых микросферами.

Специальные условия

Некоторые ученые предложили особые условия, которые могли бы облегчить синтез клеток.

Мир глины

Глиняная модель происхождения жизни была предложена А. Грэмом Кэрнсом-Смитом. Теория глины предполагает, что сложные органические молекулы возникают постепенно на существовавшей ранее неорганической платформе, а именно, кристаллы силикатов в растворе.

Глубоко раскалённая модель биосферы

В 1970-х годах Томас Голд предложил теорию, что жизнь сначала развивалась не на поверхности Земли, а в нескольких километрах под поверхностью. Открытие в конце 1990-х годов нанообъектов (декоративных структур, которые меньше бактерий, но могут содержать ДНК в глубоких породах) могло бы поддержать теорию Голда.

В настоящее время достаточно хорошо установлено, что на небольших глубинах Земли (до пяти километров под поверхностью Земли) микробная жизнь изобилует экстремофильными архаиями, а не более известными эвбактериями (которые живут в более доступных условиях).

Золото утверждало, что для выживания необходима струйка пищи из глубокого, недоступного источника, потому что жизнь, возникающая в луже органического материала, скорее всего, поглотит всю свою пищу и вымрет. Теория Золота состояла в том, что поток пищи происходит за счет выделения газа из мантии Земли из первобытного метана.

Самоорганизация и репликация

Самоорганизация и саморепликация являются отличительной чертой живых систем. Неживые молекулы иногда проявляют эти черты в надлежащих условиях. Например, Мартин и Рассел показали, что клеточные мембраны, отделяющие содержимое от окружающей среды, и самоорганизация самодостаточных окислительно-восстановительных реакций являются наиболее консервативными атрибутами живых организмов. Они утверждают, что неорганическая материя вроде этой была бы, скорее всего, последним обычным предком жизни.

Специальные условия

Некоторые ученые предложили особые условия, которые могли бы облегчить синтез клеток.

Мир глины

Глиняная модель происхождения жизни была предложена А. Грэмом Кэрнсом-Смитом. Теория глины предполагает, что сложные органические молекулы возникают постепенно на существовавшей ранее неорганической платформе, а именно, кристаллы силикатов в растворе.

Глубоко раскалённая модель биосферы

В 1970-х годах Томас Голд предложил теорию, что жизнь сначала развивалась не на поверхности Земли, а в нескольких километрах под поверхностью. Открытие в конце 1990-х годов нанообъектов (декоративных структур, которые меньше бактерий, но могут содержать ДНК в глубоких породах) могло бы поддержать теорию Голда.

В настоящее время достаточно хорошо установлено, что на небольших глубинах Земли (до пяти километров под поверхностью Земли) микробная жизнь изобилует экстремофильными архаиями, а не более известными эвбактериями (которые живут в более доступных условиях).

Золото утверждало, что для выживания необходима струйка пищи из глубокого, недоступного источника, потому что жизнь, возникающая в луже органического материала, скорее всего, поглотит всю свою пищу и вымрет. Теория Золота состояла в том, что поток пищи происходит за счет выделения газа из мантии Земли из первобытного метана.

Самоорганизация и репликация

Самоорганизация и саморепликация являются отличительной чертой живых систем. Неживые молекулы иногда проявляют эти черты в надлежащих условиях. Например, Мартин и Рассел показали, что клеточные мембраны, отделяющие содержимое от окружающей среды, и самоорганизация самодостаточных окислительно-восстановительных реакций являются наиболее консервативными атрибутами живых организмов. Они утверждают, что неорганическая материя вроде этой была бы, скорее всего, последним обычным предком жизни.

Теории

гипотеза о мире РНК

В этой гипотезе РНК, как говорят, работает и как фермент, и как контейнер генов. Позже ДНК взяла на себя ее генетическую роль.

Гипотеза мира РНК предполагает, что жизнь на основе рибонуклеиновой кислоты (РНК) предшествует современному миру жизни на основе дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), РНК и белков. РНК способна как хранить генетическую информацию, подобно ДНК, так и катализировать химические реакции, подобно ферменту. Она может поддерживать до-клеточную жизнь и быть главным шагом к клеточной жизни.

Есть несколько доказательств, подтверждающих эту идею:

1. Есть несколько РНК, которые работают как ферменты.
2. Некоторые вирусы используют РНК для наследственности.
3. Многие из самых фундаментальных частей клетки (те, которые развиваются медленнее всего) требуют РНК.

метаболизм и белки

Эта идея предполагает, что белки сначала работали как ферменты, производя метаболизм. После этого ДНК и РНК стали работать как контейнеры генов.

Эта идея также имеет некоторые доказательства, которые это подтверждают.

1. Белок, как фермент, необходим для сегодняшней жизни.
2. Некоторые аминокислоты образуются из более основных химических веществ в эксперименте Миллера-Урея. Некоторые отрицают эту идею, потому что белки не могут копировать себя.

Липиды

В этой схеме мембраны из липидных бислоек встречаются на ранней стадии. После вложения органических химикатов возможна более сложная биохимия.

Теории

гипотеза о мире РНК

В этой гипотезе РНК, как говорят, работает и как фермент, и как контейнер генов. Позже ДНК взяла на себя ее генетическую роль.

Гипотеза мира РНК предполагает, что жизнь на основе рибонуклеиновой кислоты (РНК) предшествует современному миру жизни на основе дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), РНК и белков. РНК способна как хранить генетическую информацию, подобно ДНК, так и катализировать химические реакции, подобно ферменту. Она может поддерживать до-клеточную жизнь и быть главным шагом к клеточной жизни.

Есть несколько доказательств, подтверждающих эту идею:

1. Есть несколько РНК, которые работают как ферменты.
2. Некоторые вирусы используют РНК для наследственности.
3. Многие из самых фундаментальных частей клетки (те, которые развиваются медленнее всего) требуют РНК.

метаболизм и белки

Эта идея предполагает, что белки сначала работали как ферменты, производя метаболизм. После этого ДНК и РНК стали работать как контейнеры генов.

Эта идея также имеет некоторые доказательства, которые это подтверждают.

1. Белок, как фермент, необходим для сегодняшней жизни.
2. Некоторые аминокислоты образуются из более основных химических веществ в эксперименте Миллера-Урея. Некоторые отрицают эту идею, потому что белки не могут копировать себя.

Липиды

В этой схеме мембраны из липидных бислоек встречаются на ранней стадии. После вложения органических химикатов возможна более сложная биохимия.

Панспермия

Такова идея, предложенная Аррениусом и разработанная Фредом Хойлом, о том, что жизнь развивалась в других местах Вселенной и пришла на Землю в виде спор. Это не теория того, как жизнь начиналась, а теория того, как она могла распространиться. Она могла распространяться, например, метеоритами.

Некоторые предполагают, что ранний Марс был лучшим местом для начала жизни, чем ранняя Земля. Молекулы, объединенные в генетический материал, сложнее, чем "первобытный суп" органических (углеродных) химических веществ, существовавших на Земле четыре миллиарда лет назад. Если РНК была первым генетическим материалом, то минералы, содержащие бор и молибден, могли бы способствовать его образованию. Эти минералы были гораздо более распространены на Марсе, чем на Земле.

Панспермия

Такова идея, предложенная Аррениусом и разработанная Фредом Хойлом, о том, что жизнь развивалась в других местах Вселенной и пришла на Землю в виде спор. Это не теория того, как жизнь начиналась, а теория того, как она могла распространиться. Она могла распространяться, например, метеоритами.

Некоторые предполагают, что ранний Марс был лучшим местом для начала жизни, чем ранняя Земля. Молекулы, объединенные в генетический материал, сложнее, чем "первобытный суп" органических (углеродных) химических веществ, существовавших на Земле четыре миллиарда лет назад. Если РНК была первым генетическим материалом, то минералы, содержащие бор и молибден, могли бы способствовать его образованию. Эти минералы были гораздо более распространены на Марсе, чем на Земле.

Связанные страницы

• Астробиология
• Самые ранние известные формы жизни

Связанные страницы

• Астробиология
• Самые ранние известные формы жизни