Основные теории возникновения жизни на Земле

Зарождение жизни на Земле — откуда она взялась

Появление жизни на Земле представляет собой одну из самых больших загадок для ученых. Впервые об этом люди стали задумываться еще в древности. К настоящему времени существует около 10 основных гипотез зарождения жизни, но ни одна из них не имеет такой обширной доказательной базы, чтобы считаться единственно верной.

Самый спорный вопрос заключается в том, как могли органические вещества возникнуть из неживой материи. Живые объекты намного сложнее по своей структуре, чем неживые, и обладают целым рядом только им присущих признаков. Живые организмы:

1. Имеют клеточное строение.
2. Обмениваются веществом и энергией.
3. Развиваются и растут.
4. Способны к самовоспроизводству и саморегуляции.
5. Реагируют на изменения окружающей среды.
6. Адаптируются и эволюционируют.
7. Характеризуется единством химического состава.
8. Обладают свойствами целостности и дискретности.

Общепризнанными в мировом научном сообществе считаются следующие факты:

1. Планета Земля возникла примерно 4,5-4,6 млрд лет назад.
2. Первые органические вещества на Земле появились в диапазоне от 4,1 до 3,8 млрд лет назад.
3. Вначале на Земле появились простейшие живые существа, которые эволюционировали на протяжении многих миллионов лет.
4. Первыми обитателями земли были прокариоты — доядерные организмы.
5. Примерно 3 млрд лет назад образовались цианобактериальные маты — симбиотические сообщества прокариотов, которые включали в себя бактерии, способные к фотосинтезу.
6. В промежутке 2,1-1,6 млрд лет назад появились эукариоты — организмы, имеющие клеточное ядро и многоклеточные живые существа.
7. Около 540 млн лет назад произошел «кембрийский взрыв» — появление большого количества форм жизни, в том числе хордовых и членистоногих.
8. Живые организмы в ходе эволюции и естественного отбора развивались и приспосабливались к окружающей среде. Таким образом возникло многообразие биологических видов.

Основные теории и гипотезы, описание

На протяжении многих веков господствовали 2 гипотезы зарождения жизни:

1. Креационизм. Согласно данной теории Вселенная, планета Земля и все живое на ней создано по проекту Творца или Бога. Этой гипотезы придерживаются верующие люди, в том числе христиане. Существует несколько библейских хронологий. По одной из наиболее распространенных мир был сотворен за 7 тысяч лет до Рождения Христа.
2. Самозарождение. Эта гипотеза существовала на протяжении многих веков как альтернатива креационизму. Ее сторонники полагали, что жизнь зародилась спонтанно из неживого вещества. Этой гипотезы придерживался древнегреческий философ Аристотель, которого считают одним из основателей биологии. Теория самозарождения подверглась сомнению еще в XVII веке. Итальянский ученый-натуралист и врач Франческо Реди провел ряд опытов, которые, по его мнению, доказывали, что жизнь не может возникнуть из неживого вещества. Его идеи развил в 1860-х годах французский микробиолог и химик Луи Пастер.

Идеи креационизма в современном научном мире отвергаются большинством ученых как антинаучные.

Теория самозарождения оспаривается рядом ученых, другие признают за ней право на существование. Опыты, проводимые Реди и Пастером, доказывают, что микроорганизмы не могут появиться в конкретных питательных средах в течение ограниченного количества времени. Но они не являются свидетельством того, что самозарождение жизни невозможно в течение многих миллионов лет в разных средах и при разных условиях.

В 1880-е годы немецким ученым Прейером была сформулирована гипотеза этернизма или стационарного состояния. Согласно его взглядам, жизнь на Земле никогда не возникала, а существовала вечно. Биологические виды могут вымирать или изменять численность. Название теории происходит от латинского слова «eternus» — вечный.

Идеи Прейера поддерживал известный русский ученый-естествоиспытатель Владимир Вернадский. Он полагал, что жизнь — это вечная основа космоса. Теория стационарного состояния противоречит данным палеонтологии и астрономии. Она представляет интерес в историко-философском смысле, но не в естественнонаучном.

В XX веке появилось множество новых теорий зарождения жизни. Наиболее известными являются следующие:

1. Концепция Опарина-Холдейна.
2. Теория химической эволюции.
3. Панспермия.
4. Зарождение жизни в горячей воде.
5. Мир РНК.

Концепция Опарина-Холдейна

Теория была предложена в 1924 году советским ученым Александром Опариным. В 1929 году независимо от него подобные идеи были высказаны британским биологом Джоном Холдейном.

Сущность концепции Опарина:

• примерно 4 млрд лет назад Земля остыла настолько, что была образована ее твердая кора;
• одновременно с образованием коры из земных недр выделялись газообразные вещества, составившие первичную атмосферу земли;
• при температуре ниже 100 °C из атмосферы начал формироваться первичный океан;
• под воздействием внешних факторов (в первую очередь — ультрафиолетового облучения) в первичном океане начался синтез простых органических веществ;
• постепенно образовывались зоны повышенной концентрации веществ — «коацерваты». Они отделялись водной оболочкой и приобретали четкие границы;
• на основе коацерватных капель возникли первые белки;
• в дальнейшем белки усложнялись, образуя белковые тела.

Холдейн полагал, что первичными были не коацерваты, а макромолекулярные вещества, способные к воспроизводству.

Теория химической эволюции

Идеи Опарина и Холдейна были развиты в теории химической эволюции, которая интенсивно разрабатывалась учеными, начиная с 1950-х годов.

Основные идеи:

• простые органические соединения возникают из абиогенных веществ;
• «биомолекулы» — структурные единицы биополимеров — появляются в результате синтеза простых органических соединений;
• на основе биомолекул возникают биополимеры: нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды.

Важный вклад в развитие теории внесли американские ученые Стэнли Миллер и Гарольд Юри. В 1953 году они провели эксперимент по созданию простых биомолекул в искусственной среде, которая воспроизводила состав древней атмосферы. В ходе исследований ими были получены простейшие аминокислоты — глицин и аланин.

Панспермия

В основе концепции лежит представление о том, что живые организмы или их зародыши могли быть занесены на землю из космоса. Данная теория стала популярной после успешного освоения человеком космического пространства в период с 1960 по 1970 годы.

Но истоки представлений об этом появились гораздо раньше. Термин «панспермия» впервые встречается в трудах древнегреческого мыслителя Анаксагора. Дословно он обозначает «смесь семян». Античные философы указывали на связь всего живого в космосе.

В XIX веке о возможности привнесения жизни на Землю из космического пространства говорили:

• шведский химик Якоб Берцелиус;
• немецкий врач Герман Рихтер;
• британский физик Уильям Томсон;
• немецкий физик и врач Герман Гельмгольц.

Научное обоснование теории панспермии в 1974 году представили британские астрономы Фред Хойл и Чандра Викрамасингхе.

Основные идеи:

• космическая пыль в основном состоит из органических веществ;
• жизнь на Землю была занесена с космическими телами — метеоритами, астероидами и кометами;
• живые организмы продолжают поступать из космоса и могут вызывать эпидемии, создавать условия для макроэволюции.

В метеоритах действительно были найдены органические вещества, что говорит о возможности переноса органики на Землю таким способом.

В 2020 году учеными был обнаружен в метеорите пока единственный белок внеземного происхождения — гемолитин.

Зарождение жизни в горячей воде

В 1970-е годы советским физиком Львом Мухиным было высказано предположение о том, что наиболее вероятным местом возникновения жизни являются горячие минеральные воды вблизи подводных вулканов.

В пользу этой гипотезы говори тот факт, что и в настоящее время в горячих минеральных водах образуются строматолиты.

Возраст древнейших строматолитов, найденных в Гренландии, составляет около 3,5 млрд лет.

В 2011 году японскому ученому Тадаси Сугавара удалось создать протоклетку в горячей воде.

Мир РНК

Гипотеза впервые была сформулирована в 1968 году и окончательно оформилась в 1980-е годы. Центральным понятием в ней является РНК.

Автор теории — американский микробиолог Карл Везе. Гипотеза получила развитие после открытия Томасом Чеком рибозимов — каталитических молекул РНК.

Основные положения:

• жизнь на земле появилась не с возникновением белков и ДНК, а с появлением РНК;
• мир РНК — это гипотетический этап развития, когда роль хранителя генетической информации и катализа химических реакций выполняли РНК;
• РНК могли существовать автономно, самовоспроизводясь и катализируя метаболические реакции;
• РНК формировали молекулярные колонии, которые и могли быть первыми «эволюционными ансамблями».

Концепция РНК является наиболее перспективной и продолжает дополняться новейшими данными из области биологии, генетики, палеонтологии и других наук.

Какие факторы могли повлиять на зарождение жизни

Появление жизни на Земле стало возможно благодаря совокупности факторов:

1. Солнце. Планета Земля вращается вокруг звезды Солнце. При этом расстояние между ними оптимальное для создания приемлемых условий для жизни. Солнце служит источником энергии и влияет на все живые организмы.
2. Характеристики Земли. Наша планета обладает совокупностью характеристик, которые сделали появление жизни на ней возможным: это ее масса, орбита, наклон оси, скорость вращения и другие. Вращение Земли на примерно одинаковом расстоянии от Солнца обеспечивает отсутствие резких перепадов температур. Масса земли создает такую гравитацию, которая обеспечивает удержание атмосферы. При этом она относительно невелика и позволяет существовать многоклеточным организмам.
3. Атмосфера. Является защитным слоем планеты, оберегая ее от радиационного излучения и падения метеоритов. В составе атмосферы есть важнейшие для жизни компоненты. Диоксид углерода используется цианобактериями и растениями в процессе фотосинтеза. Кислород необходим для дыхания большинства живых организмов.
4. Вода. Наличие воды — важный фактор при оценивании планеты на пригодность для жизни. Она выступает в качестве растворителя и посредника в химических реакциях. В пустынных местах Земли, где нет жидкой воды, обитают только простейшие организмы.

Когда появилась жизнь на Земле и на какой территории

У ученых существуют разногласия по поводу времени возникновения на Земле первых форм жизни. Наиболее распространены 2 версии:

1. Архей. Ранние достоверно датируемые бактерии относятся к возрасту 3,8 млрд лет.
2. Катархей. В 2015 году были найдены углеродсодержащие минералы возрастом 4,1 млрд лет. Ряд ученых предполагает, что это ископаемые останки простейших живых организмов.

Часто в качестве официальной даты появления жизни на Земле называют возраст 3,5 млрд лет. Это время, когда по планете расселились цианобактерии — сине-зеленые водоросли, способные к фотосинтезу.

Для возникновения жизни необходимо наличие:

• жидкой воды;
• определенных химических элементов;
• достаточного количества энергии.

Среди химических элементов наиболее важны:

• углерод;
• азот;
• сера;
• фосфор;
• железо;
• медь;
• цинк;
• магний.

Всем этим условиям отвечают два места на Земле:

1. Берег океана.
2. Дно океана — возле подводных гидротермальных источников.

Энергию для химических реакций могли давать:

• электрические разряды в атмосфере;
• вулканические извержения.

Наиболее древние формы жизни были найдены в горных породах на западе Австралии.