Основные положения теории Опарина-Холдейна

Происхождение жизни на Земле согласно теории Опарина-Холдейна

До сих пор нет однозначного ответа на вопрос о возникновении жизни на нашей планете. Одним из первых ученых, отважившимся ответить на него, был советский биолог А.И. Опарин. Апогей его деятельности пришелся на 50-70 годы ХХ века, однако еще в 1924 г. вышла в свет его книга «Происхождение жизни», в которой ученый изложил главные идеи своей гипотезы.

Опарин считал, что живые организмы на планете зародилась вследствие долговременного эволюционного процесса формирования живой материи из неживой. Простые органические соединения сформировались из неорганических под воздействием факторов окружающей среды и сложных биохимических процессов. Близкие предположения высказал в 1929 г. британский биолог Дж. Холдейн.

Таким образом, в основе теории лежит концепция абиогенеза.

Теория Опарина-Холдейна завоевала большую популярность и в рамках школьного курса биологии является основополагающей в контексте объяснения появления жизни на Земле. Но в свете последних научных открытий она вызывает много вопросов и выглядит несколько устарелой.

Основные положения, в чем суть, достоинства и недостатки

Согласно теории Опарина, биологической эволюции на Земле предшествовала эволюция химическая, предопределившая возникновение сложных соединений. Образование жизни происходило в определенной последовательности:

• образование органических веществ;
• возникновение полимерных соединений;
• зарождение первых, предельно простых организмов, которые могли воспроизводиться.

Жизнь, согласно теории, смогла образоваться только в условиях давней атмосферы, имеющей значительные отличия от современной, и отсутствия живых существ. Схема развития и зарождения жизни согласно теории Опарина:

На изначальном этапе своего существования Земля являлась горячим шаром. Она постепенно остывает, и около 4 млрд лет назад на ее поверхности образовалась твердая кора.

Вещества из недр планеты, прорвавшиеся наружу, со временем сформировали атмосферу. Она состояла из:

• гидрогена;
• метана;
• аммиака;
• двуокиси углерода;
• нитрогена;
• водяных паров.

Образовывается первичный океан, где начинают синтезироваться простые органические молекулы: аминокислоты, нуклеотиды, сахара, жирные и органические кислоты, спирты. Они накапливаются и формируют «первичный бульон». Энергетическими факторами синтеза стали:

• ультрафиолетовое излучение Солнца;
• космическое излучение;
• интенсивные молнии как источник электрических разрядов;
• извержения вулканов.

Далее из простых органических соединений образовались белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. В дальнейшем процессе главную роль Опарин отводил белкам. Они формировали коллоидные гидрофильные комплексы, которые объединялись в коацерваты — многомолекулярные органические сгустки, отделенные от остальной водной массы.

Из внешнего мира в них попадали органические соединения, которые провоцировали синтез более сложных веществ. Коацерваты и окружающую среду разграничивали молекулы липидов, которые стали основой для формирования простой клеточной мембраны.

Впоследствии коацерваты стали увеличиваться в размерах, взаимодействовать между собой, с окружающей средой. После слияния коацерватов и нуклеиновых кислот появились протобионты — примитивные жизненные формы, которые могли самовоспроизводиться. Они были анаэробами и гетеротрофами, передавали наследственную информацию очередным поколениям, а также подвергались естественному отбору. С этого времени берет начало органическая эволюция.

Схожие идеи относительно происхождения жизни выдвигал и Дж. Холдейн. Однако он считал, что формировались не коацерваты, а макромолекулярные вещества, имеющие способность к воспроизводству. По его мнению, изначальными веществами были нуклеиновые кислоты, а не белки.

Плюсы теории Опарина-Холдейна:

• создание логической концепции, ставшей основой для современных теорий возникновения биологической жизни;
• экспериментально подтверждена возможность абиогенного синтеза органических биополимеров;
• соотносится с гипотезой химической эволюции.

Минусы теории:

• коацерваты и протобионты не получены экспериментальным путем;
• не объясняет момент перехода от органических соединений к живым организмам и появление генетического кода.

Развитие и доказательства

Теория Опарина-Холдейна вызвала оживленные дискуссии в ученом мире, претерпела много критики. В свете новых данных, полученных современной наукой, она претерпела значительные преобразования. К примеру, в 1979 г. британский биолог Р. Докинз в книге «Эгоистический ген» выразил догадку об образовании в «первичном бульоне» не коацерватов, а способных к самовоспроизведению молекул, которые наполнили океан. Ныне ученые дополнили и видоизменили теорию следующими утверждениями.

1. Процесс самовоспроизведения возник раньше образования мембран и обмена веществ.
2. Источниками энергии в процессе возникновения органических соединений, кроме указанных в теории Опарина-Холдейна, являлись также природная радиация, солнечный ветер.
3. Древняя атмосфера имела иной состав, чем представлено в теории. Основными элементами были углекислый газ и азот, другие компоненты имели малую концентрацию.
4. «Первичный бульон» — неподходящая среда для возникновения жизни, поскольку белки в воде неустойчивые, а значит, легко распадаются. Кроме того, процесс самовоспроизводства аминокислот в «первичном бульоне» считается недостижимым.

Новые модифицированные гипотезы:

• гипотеза «первичной пиццы (органические молекулы возникли на минеральных подкладках при их повторяющемся высыхании);
• гипотеза «первичного майонеза» (примитивные мембраны существовали до появления способности к самовоспроизведению).

Воссоздание процессов эволюции в лаборатории

В 1953 г. американские исследователи С. Миллер и Г. Юри решили экспериментально показать процесс появления органики из химических веществ. В соединенных колбах были смоделированы предположительные условия возникновения жизни на планете.

Колбы были заполнены смесью газов, подобной по составу с древней атмосферой, которая поддавалась воздействию (нагреванию, электрическим разрядам). На протяжении недели в колбе были замечены аминокислоты и другие органические соединения.

Другие ученые неоднократно осуществляли подобные эксперименты и получали аминокислоты, но в лабораторных условиях никогда не были синтезированы нуклеиновые кислоты, липиды, протеины и полисахариды.

Однако Миллер и Юри проводили свой опыт в середине ХХ века и основывались на тогдашних представлениях о возможном составе древней атмосферы Земли. Современные ученые посредством экспериментов и компьютерного моделирования изменили эти представления.

Главными компонентами атмосферы были углекислый газ и азот, причем огромная концентрация первого создавала значительный парниковый эффект, сильно прогревавший океан. При воссоздании условий такой атмосферы в аппарате Миллера органические соединения не образуются.

Выводы:

1. Теория Опарина-Холдейна освещает процесс образования жизни на Земле.
2. Сущность теории заключается в утверждении, что органические соединения возникли из неорганических в условиях древней атмосферы Земли и под воздействием внешней среды.
3. На сегодняшний день данный подход считается несколько устаревшим и значительно дополнен современной наукой.
4. В 1953 г. С. Миллер и Г. Юри экспериментально воссоздали условия зарождения жизни на планете и получили органические соединения.