Біологія. 9 клас. Шаламов

§ 46. Походження життя

Креаціонізм — уявлення про божественне творіння життя

Так склалося, що протягом століть найпоширенішою версією виникнення життя на Землі був певний акт творіння, здійснений вищою надприродною силою. І хоча механізми творіння та характеристики вищих сил різняться в релігіях і міфологіях, усі ці вчення пояснюють виникнення життя діяльністю якоїсь потойбічної сили. Такий погляд називають креаціонізмом1. Креаціоністські погляди є ненауковими, оскільки не можуть бути підтверджені або спростовані фактами чи експериментами. У них можна лише вірити або не вірити.

Наукові уявлення про походження життя на Землі почали формуватися ще в античну добу

Проблема походження життя була усвідомлена вченими доволі пізно. З античних часів до середини XIX століття в наукових колах приймалася гіпотеза постійного самозародження життя з неживої речовини. Аристотель вважав, що миші виникають із брудної білизни, а мухи — з гнилого м’яса. Механізм такого явища не був відомим, але ніхто не намагався заперечувати, що самозародження життя відбувається безперервно. Одним із ключових завдань середньовічної алхімії (поряд із пошуком філософського каменя) було створення гомункулуса — істоти, подібної до людини, яку можна отримати шляхом змішування якихось хімічних інгредієнтів. Однак у вчення про самозародження існувало багато супротивників. Один із них — відомий італійський лікар Франческо Реді — ще в середині XVII століття продемонстрував, що личинки мух не розвиваються з гнилого м’яса, а формуються з яєць, відкладених іншими мухами. Він помістив шматок м’яса у посудину, прикриту тонкою тканиною (аби перекрити до неї доступ мухам), і в ній не «самозародилися» личинки мух — опариші (рис. 46.1, А). Проте теорія самозародження вистояла — було відкрито мікроорганізми, які, як вважалося, достатньо прості, щоб виникнути з неживої матерії.

Рис. 46.1. Докази супротивників теорії самозародження

А. Дослід Франческо Реді. Б. Дослід Луї Пастера. Якщо прокип’ятити бульйон у колбі із «лебединою шиєю», то він не прокисне. Колба залишається відкритою — горло не заважає «життєвій силі» проникнути всередину, проте всі бактерії осідають у коліні S-подібної трубки. Якщо відламати горло, ніщо більше не перешкоджає бактеріям проникати всередину, і бульйон скисає.

1 Від латинського creatio — творю.

Рис. 46.2. Пейзаж ранньої Землі часів метеоритних бомбардувань

На початку XIX століття завдяки працям німецького хіміка Карла фон Рейхенбаха ідея самозародження трансформувалася у віталізм — учення про «життєву силу», що ширяє Всесвітом і в процесі взаємодії з неживою речовиною перетворює її на живу1. Як ми пам’ятаємо, Жан Батист Ламарк у своїй теорії еволюції дотримувався ідей віталізму та використовував постулат про безперервне зародження найпростіших організмів. Остаточного удару теорії віталізму завдав 1862 року французький мікробіолог Луї Пастер. Завдяки дослідам із бульйоном у колбах із «лебединими шиями» було наочно доведено, що й мікроорганізми розвиваються з інших мікроорганізмів (рис. 46.1, Б). Так було остаточно доведено постулат «Усе живе розвивається із живого».

Саме через описані події питання про виникнення життя на Землі постало знову. Треба визнати, що воно було дуже проблемним для науки, оскільки відтепер походження життя розглядалося як поодинока подія, а наука звикла працювати із подіями, які повторюються та відтворюються2. Лише у XX столітті наука почала працювати з поодинокими подіями. Відтоді й біологічна наука стала висувати припущення про можливі механізми походження життя. Піонерами цього напряму були біохімік Олександр Опарін і генетик Джон Холдейн. Проте перш ніж переходити до розгляду можливих механізмів виникнення життя, ознайомимося з умовами існування доісторичної Землі.

Кліматичні умови давньої Землі були не схожі на сучасні

Згідно із сучасними уявленнями Земля сформувалася 4,54 млрд років тому з газопилової хмари, що оточувала Сонце. У ході формування Землі більш важкі елементи (Ферум і Нікол) занурювались углиб рідкої мантії, формуючи ядро, а легкі (Карбон і Силіцій) спливали, утворюючи кору. Через активну вулканічну діяльність відбувалася дегазація порід: в атмосферу виділялися вода, метан, амоніак, сірководень і вуглекислий газ. Величезна кількість твердих частинок в атмосфері та значні різниці температур між ділянками зумовлювали потужні шторми й грози, під час яких на поверхню молодої Землі випадали кислотні дощі. Також упродовж багатьох мільйонів років Земля піддавалася інтенсивним метеоритним бомбардуванням (рис. 46.2). Її поверхня була поцяткована кратерами й більше нагадувала поверхню Місяця. Саме в таких суворих умовах відбувалися хімічні процеси, що привели до виникнення життя.

1 Сам Карл фон Рейхенбах називав цю гіпотетичну силу силою Одина на честь головного бога германо-скандинавської міфології.

2 Видатний генетик Микола Тимофєєв-Ресовський небезпідставно виносив питання про походження життя за межі науки. Коли його запитували про це, він зазвичай відповідав: «Я був тоді дуже маленьким і тому нічого не пам’ятаю. Запитайте-но ліпше в академіка Опаріна».

Абіогенез — сучасна спроба пояснення походження життя

Перші теорії, що намагалися науково пояснити процес виникнення життя на Землі, зводилися до доведення можливості синтезу найпростіших біологічних молекул (амінокислот, вуглеводів і нуклеотидів) із неорганічних речовин за умов молодої Землі. Такі теорії отримали назву теорій абіогенезу. Першою з них була теорія Опаріна-Холдейна. 1924 року Олександр Опарін припустив існування на давній Землі первинного бульйону — коктейлю з найпростіших органічних речовин, сформованих із неорганічних під впливом грозових розрядів та ультрафіолетового випромінювання. Згідно з цією теорією такі сполуки з плином часу накопичувалися в первинній гідросфері, вступали в хімічну взаємодію одна з одною, що й зумовило формування спочатку більш складних молекул — полімерів, а потім і живих організмів. Подібний процес ще називають пребіотичним синтезом, тобто утворенням біологічних молекул до утворення живих організмів. 1953 року студент Чиказького університету Стенлі Міллер під керівництвом професора Гарольда Юрі зібрав установку (рис. 46.3), що імітувала умови ранньої Землі, і показав, що в ній можливе утворення амінокислот і цукрів із найпростіших неорганічних сполук.

Із часів Опаріна теорія абіогенезу зазнала значних змін. Тепер уважається, що пребіотичний синтез на ранній Землі був пов’язаний, найімовірніше, не з поверхневими водоймами1, а з океанічними глибинами, де він відбувався за умов, близьких до умов сучасних підводних джерел — «чорних курців» (про них ішлося в § 19).

Німецький учений Гюнтер Вахтерсхаузер, автор теорії залізо-сірчаного метаболізму, припустив, що в подібних гідротермальних джерелах, що існували мільярди років тому на дні океану, могло відбуватися не лише утворення перших білків і нуклеїнових кислот, але і їхнє упорядкування в складні структури, що були попередниками перших клітин.

Сьогодні вчені продовжують вивчати питання походження життя, пропонують нові моделі та механізми. Однак центр інтересу змістився з питання про синтез перших біомолекул до питань їх упорядкування в «протоклітини» та виникнення метаболізму.

Рис. 46.3. Схема установки в досліді Міллера-Юрі

1 Опарін називав їх дарвінівськими калюжами.

Волтер Гілберт

Народився 1932 року в Бостоні (США). Освіту здобув у Гарвардському і Кембриджському університетах. Розробив метод секвенування ДНК, за що 1980 року був нагороджений Нобелівською премією з хімії. Сформулював гіпотезу «світу РНК» щодо можливого сценарію походження життя, коли першою виникає спадковість у вигляді молекул РНК, які здатні до самореплікації. У 2016 році підписав лист нобелівських лауреатів до урядів усіх держав і ООН із закликом припинити боротьбу з генно-модифікованими організмами. Після закінчення роботи в Гарвардському університеті 2001 року розпочав і продовжує мистецьку кар’єру в цифровій фотографії.

Світ РНК — гіпотеза, що вважає РНК відповіддю на питання про виникнення життя

Питання щодо походження життя безпосередньо пов’язане з питанням щодо походження перших клітин.

Як ви пам’ятаєте, центральна догма молекулярної біології встановлює взаємний зв’язок між ДНК, РНК і білком. Ця система доволі складна: ДНК реплікує сама себе за допомогою білків, також за допомогою білків утворює РНК. РНК за допомогою білків та інших РНК забезпечує біосинтез білка. Нам тепер відомо, що інколи РНК може слугувати матрицею для синтезу інших молекул РНК чи навіть ДНК, але всі ці процеси також здійснюються за безпосередньою участю білків. Тому важко припустити, що в цій схемі виникло раніше: ДНК і РНК можуть самовідтворюватися та функціонувати лише за наявності білків, а білки не можуть утворюватися без нуклеїнових кислот. Складається враження, що така схема мала виникнути відразу, цілком, з усіма компонентами: ДНК, РНК і білками. Такі системи називають неспрощувано складними — у системи не може бути простішого здатного працювати попередника. Подібна ситуація значно змінилася після відкриття американськими вченими Томасом Чеком та Сідні Альтманом каталітичних молекул РНК — рибозимів. Виявилося, що РНК може бути не тільки носієм генетичної інформації, а й — завдяки хімічному каталізу — її реалізатором. Припускається, що рибозими, які існували на давній Землі, могли забезпечувати власну реплікацію без допомоги білків. Такі рибозими могли конкурувати між собою за нуклеотиди, тобто вони брали участь у природному доборі. Із часом відбулося розділення функцій: зберігання генетичної інформації дісталося ДНК, а каталіз — білку. Ця гіпотеза носить назву «світу РНК» (рис. 46.4) і вперше її запропонував американський мікробіолог Карл Воуз у 1968 році, а остаточно сформулював американський фізик Волтер Гілберт у 1986 році1.

Рис. 46.4. Гіпотеза «Світу РНК»

1 Зараз постало питання про походження світу РНК. Уважають, що йому передував світ специфічних вуглеводнів, які могли слугувати каркасом для синтезу перших молекул РНК.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1. Остаточно довести, що живі істоти виникають тільки з живих істот, удалося

  • А Аристотелю
  • Б Франческо Реді
  • В Жану Батисту Ламарку
  • Г Луї Пастеру
  • Д Стенлі Міллеру

2. Виникнення життя на Землі згідно з теорією Опаріна-Холдейна почалося з

  • А перших організмів
  • Б утворення УФ-проміння та грозових розрядів
  • В синтезу полімерів
  • Г утворення органічних речовин із неорганічних
  • Д формування Землі

3. Міллер та Юрі використовували такий метод біологічних досліджень, як

  • А експериментальний
  • Б моделювання
  • В спостереження
  • Г порівняння
  • Д моніторинг

4. РНК стала єднальною ланкою між ДНК і білками, бо вона може

  • А нести спадкову інформацію
  • Б каталізувати біохімічні реакції
  • В нести спадкову інформацію та каталізувати біохімічні реакції
  • Г перетворюватися на ДНК
  • Д реплікуватися

5. У теорії Опаріна-Холдейна «життєвою силою» Рейхенбаха можна назвати

  • А УФ-випромінювання та блискавки
  • Б білки
  • В РНК
  • Г неорганічні речовини
  • Д первинний бульйон

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6. Чому відкриття одноклітинних організмів зробило спростування самозародження, отримане Франческо Реді, недостовірним?

7. Схарактеризуйте склад, вигляд і запах первинної атмосфери Землі.

8. У чому суть пребіотичного синтезу? Чи можливо здійснити його в наш час у лабораторії?

9. Як проявляється природний добір на рівні рибозимів, що самореплікуються?

10. Що виникло раніше — ДНК, РНК чи білок і чому?

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11. Які функції в обміні речовин сучасних організмів виконують рибозими? Чому в ході еволюції не всі вони були замінені білками?

12. Чим зумовлено те, що життя виникло у водному середовищі, а не на поверхні суходолу чи в атмосфері?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

13. Що таке є в «чорних курців», що вони стали чудовим місцем для виникнення життя?

14. Чому життя не залишилося у світі РНК, а перейшло до ДНК-білкової форми?

15. Теорія панспермії є альтернативною версією виникнення життя на Землі. Які аргументи цієї теорії й чого вона не може пояснити? Чи можна вважати її науковою?