Современные гипотезы происхождения жизни.

Абиогенез.

Наибольшее признание и распространение в ХХ в. получила гипотеза, предложенная отечественным биохимиком А.И. Опариным (коацерватная гипотеза) и англ. биохимиком Дж. Холдейном (гипотеза «первичного бульона»). Суть их гипотезы, сформулированной ими независимо друг от друга в 1924-1928 гг. и развиваемой в последующее время сводится к существованию на Земле продолжительного периода абиогенного образования большого числа органических соединений. Эти орг. соединения насыщали воды древнейших океанов, сформировав так называемый «первичный бульон». Впоследствии в силу многочисленных процессов локальных обмелений и иссушений океанов концентрация «первичного бульона» могла возрастать в десятки и сотни раз. Эти процессы происходили на фоне интенсивной вулканической активности, частых грозовых разрядов в атмосфере и мощного космического излучения. В этих условиях могло происходить постепенное усложнение молекул органических веществ, появление простых белков, полисахаридов, липидов, нуклеиновых кислот. На протяжении многих сотен и тысяч лет они могли образовывать сгустки органических веществ (коацерваты). В условиях восстановительной атмосферы Земли коацерваты не разрушались, происходило их постепенное усложнение, и в определенный момент развития из них могли образоваться первые примитивные организмы (пробионты). Эта гипотеза была принята и развита в дальнейшем многими учеными разных стран, и в 1947 г. англ. ученый Джон Бернал сформулировал гипотезу биопоэза. Он выделил 3 основные стадии формирования жизни:

1) абиогенное возникновение органических мономеров;

2) формирование биополимеров;

3) развитие мембранных структур и первых организмов.

Химическая эволюция.

1953 г. С. Миллер, Г. Юри. В созданном ими приборе воспроизвели условия первобытной Земли («океан» и «атмосферу»). В реакционной колбе через смесь газов (СН₄, NН₃, Н₂) и паров воды (t +80°С) пропускали электрический разряд в 60000 В (по количеству энергии эквивалентно 50 млн лет на Земле). Через несколько суток в конденсате, полученном при охлаждении, были обнаружены органические соединения: молочная кислота, мочевина и аминокислоты.

1955 г. Сидней Фокс экспериментально получил при нагревании сухой смеси аминокислот с последующим охлаждением и растворением в воде (за счет тепловой энергии и дегидратации) устойчивые полипептидные структуры – протеиноиды; при определенных условиях (на поверхности минеральных глин - глиноземов) протеиноиды образовывали микросферы – структуры, способные к делению и обладающие двухслойной мембраной.

Формирование мембранных структур: на границах 3-х сред (вода, воздух, суша) липопротеидная пленка при волнении (порывы ветра, прибой) изгибалась и образовывала за счет электростатического притяжения одномембранные пузырьки. Пузырьки поднимались ветром и, падая на поверхность пленки, покрывались за счет гидрофобного отталкивания второй мембраной. В течение миллионов лет мембраны совершенствовались (избирательная проницаемость, впячивания и др.), что привело к возникновению первых клеток – пробионтов.

Эволюция пробионтов (начало биологической эволюции).

Появление и эволюция метаболизма:

1 этап. Первые организмы (пробионты) были анаэробными гетеротрофными прокариотами. Пищу и энергию для жизнедеятельности они получали из органических веществ абиогенного происхождения за счет анаэробного расщепления (брожение, или ферментация). Истощение запасов органических веществ усилило конкуренцию и ускорило эволюцию пробионтов.

2 этап. Возникновение анаэробных автотрофных прокариот (первые фотосинтезирующие прокариоты осуществляли бескислородный фотосинтез, получая водород не из воды, а из органики или сероводорода).

3 этап. Фоторасщепление освоили появившиеся затем первые цианобактерии (такой фотосинтез привел к накоплению кислорода в атмосфере и формированию озонового экрана).

4 этап. С появлением кислорода появились аэробные гетеротрофные прокариоты, существующие за счет более эффективного аэробного окисления органических веществ, образовавшихся в результате фотосинтеза.

Возникновение генетического кода: агрегаты (коацерваты, микросферы) не были «живыми», т.к. они не обладали генетической информацией, обеспечивающей их воспроизводство и точное копирование. Первыми носителями генетической информации стали молекулы РНК, которые вступали во взаимодействие с протеиноидами. Протеиноиды притягивали определенные нуклеотиды, которые образовывали молекулы РНК. Такая РНК, несущая информацию о структуре протеиноидов, притягивала к себе соответствующие аминокислоты, что привело к воспроизводству точных копий протеиноидов. Позднее функции РНК перешли в ДНК (ДНК стабильнее РНК и может копироваться с большей точностью), а РНК стала выполнять роль посредника между ДНК и белком. В процессе эволюции преимуществом должны были обладать те пробионты, у которых взаимодействие белков и нуклеиновых кислот было наиболее четким.

Появление и эволюция эукариотических клеток объясняются симбиотической теорией (симбиогенезом): одна группа анаэробных гетеротрофных пробионтов вступила в симбиоз с аэробными гетеротрофными первичными бактериями, дав начало эукариотическим клеткам, имеющим в качестве энергетических органоидов митохондрии; другая группа анаэробных гетеротрофных пробионтов объединилась не только с аэробными гетеротрофными бактериями, но и с первичными фотосинтезирующими цианобактериями, дав начало эукариотическим клеткам, имеющим в качестве энергетических органоидов хлоропласты и митохондрии.

Клетки-симбионты с митохондриями в дальнейшем дали начало царствам животных и грибов; с хлоропластами – царству растений.

Усложнение эукариот привело к возникновению полового процесса (клетки с полярными свойствами способны к взаимному притяжению - копуляции), диплоидности (следствие этого - мейоз), доминантности и рецессивности, комбинативной изменчивости и т.д.

Появление многоклеточных организмов, возникших в ходе эволюции из одноклеточных эукариот, объясняют теория фагоцителлы и гастреи.

Теория фагоцителлы: исходной формой многоклеточных был гипотетический организм (фагоцителла), состоящий из слоя поверхностных клеток (эктодермы) и внутренней клеточной массы (паренхимы).

Теория гастреи: предковыми формами многоклеточных были жгутиковые простейшие, которые образовали однослойную сферическую колонию; за счет впячивания стенки колонии образовалось 2 слоя клеток (подобно стадии гаструлы эмбрионального развития животных).

На современном этапе науки вопрос о происхождении всего живого на Земле по-прежнему актуален.Следует отметить, что единой теории возникновения и развития жизни на нашей планете не существует.