Произход на живота | е научен проблем, който все още не е решен

Вкаменелости

Най-ранният заявен живот на Земята

Най-ранните форми на живот, за които се твърди, че са вкаменени, са микроорганизми (или микрофосили). Те са открити в богати на желязо и силициев диоксид скали, които някога са били хидротермални извори в зеления пояс Nuvvuagittuq в Квебек, Канада.

Тези скали са на възраст 4,28 милиарда години. Съдържащите се в тях тръбовидни форми са показани в доклад. Ако това е най-старият запис на живот на Земята, той предполага "почти мигновена поява на живот" след образуването на океаните преди 4,4 млрд. години. Според Стивън Блеър Хеджис, "ако животът е възникнал сравнително бързо на Земята... тогава той може да е често срещан във Вселената".

Предишен най-рано

Научно изследване от 2002 г. показва, че геоложки формации от строматолити на възраст 3,45 милиарда години съдържат вкаменени цианобактерии. По онова време е било широко разпространено мнението, че строматолитите са най-старите известни форми на живот на Земята, които са оставили запис за своето съществуване. Следователно, ако животът се е зародил на Земята, това е станало някъде между 4,4 млрд. години, когато за първи път се втечняват водните пари, и 3,5 млрд. години. Това е контекстът на последното откритие, разгледано по-горе.

Най-ранните доказателства за живот идват от свръхскрущялния пояс Исуа в Западна Гренландия и от подобни образувания на близките острови Акилия. Това е така, защото там се открива високо ниво на по-лекия изотоп на въглерода. Живите организми поемат по-леки изотопи, защото за това е необходима по-малко енергия. Въглеродът, който постъпва в скалните образувания, има концентрация на елементарен δ¹³ C от около -5,5. на C, ¹²биомасата има δ¹³ C между -20 и -30. Тези изотопни отпечатъци се запазват в скалите. Благодарение на тези доказателства Мойзис предполага, че животът е съществувал на планетата още преди 3,85 млрд. години.

Няколко учени смятат, че животът може да е бил пренесен от планета на планета чрез пренасяне на спори. Тази идея, известна днес като панспермия, е изказана за първи път от Арениус.

История на изследванията на произхода на живота

Спонтанно генериране

До началото на XIX в. много хора вярват в редовното спонтанно зараждане на живот от нежива материя. Това се нарича спонтанно образуване и е опровергано от Луи Пастьор. Той показал, че без спори върху стерилен материал не растат бактерии или вируси.

Дарвин

В писмо до Джоузеф Далтън Хукър от 11 февруари 1871 г. Чарлз Дарвин предлага естествен процес за възникването на живота.

Той предполага, че първоначалната искра на живота може да е започнала в "малко топло езерце с всякакви амонячни и фосфорни соли, светлина, топлина, електричество и т.н. След това химически се е образувало белтъчно съединение, готово да претърпи още по-сложни промени". По-нататък той обяснява, че "в днешно време подобна материя би била незабавно погълната или абсорбирана, което не би било така, преди да се образуват живите същества".

Haldane и Oparin

До 1924 г., когато Александър Опарин изказва предположението, че атмосферният кислород пречи на синтеза на органичните молекули, не е постигнат реален напредък. Органичните молекули са необходимите градивни елементи за еволюцията на живота. В своята книга "Произход на живота" Опарин твърди, че "първичната супа" от органични молекули може да бъде създадена в атмосфера без кислород чрез действието на слънчевата светлина. Те ще се комбинират във все по-сложни форми, докато образуват капки. Тези капки ще "растат" чрез сливане с други капки и ще се "възпроизвеждат" чрез делене на дъщерни капки и така ще имат примитивен метаболизъм, при който ще оцелеят онези фактори, които насърчават "целостта на клетките", а онези, които не оцелеят, ще изчезнат. Много съвременни теории за произхода на живота все още приемат идеите на Опарин като отправна точка.

По същото време Дж.Б.С. Халдейн също изказва предположението, че океаните на Земята преди биотичния период, които са били много различни от сегашните океани, са представлявали "гореща разредена супа". В тази супа биха могли да се образуват органични съединения - градивните елементи на живота. Тази идея е наречена биопоеза - процес на еволюция на живата материя от самовъзпроизвеждащи се, но неживи молекули.

Ранни условия на Земята

Почти няма геоложки данни отпреди 3,8 милиарда години. Средата, която е съществувала през хадеанската ера, е била враждебна за живота, но доколко е била такава, не е известно. Имало е време, между 3,8 и 4,1 милиарда години, което е известно като късно тежко бомбардиране. Наречено е така, защото се смята, че тогава са се образували много лунни кратери. Ситуацията на други планети, като Земята, Венера, Меркурий и Марс, трябва да е била подобна. Тези удари вероятно биха стерилизирали Земята (убили целия живот), ако той е съществувал по това време.

Няколко души предполагат, че химикалите в клетката дават информация за това какъв е бил животът в ранните морета. През 1926 г. Макалъм забелязва, че неорганичният състав на клетъчния цитозол драстично се различава от този на съвременната морска вода: "Клетката... има свойства, предадени от миналото, което е почти толкова далечно, колкото и произходът на живота на Земята". Например: "Всички клетки съдържат много повече калий, фосфати и преходни метали, отколкото съвременните ... океани, езера или реки". "В условията на аноксична, доминирана от СО₂ -първична атмосфера, химията на вътрешните басейни при геотермалните полета би била [като химията във] вътрешността на съвременните клетки".

Температура

Ако животът се е развил в дълбоките слоеве на океана, в близост до хидротермален отвор, той може да се е зародил още преди 4 до 4,2 милиарда години. От друга страна, ако животът се е зародил на повърхността на планетата, общото мнение е, че това може да е станало само преди 3,5 до 4 милиарда години.

Lazcano и Miller (1994 г.) предполагат, че темпото на молекулярната еволюция е било продиктувано от скоростта на рециркулация на водата през средноокеанските подводни извори. Пълната рециркулация отнема 10 милиона години, така че всички органични съединения, създадени дотогава, биха били променени или унищожени от температури, надвишаващи 300 °C. Те изчисляват, че развитието на 100-килобазовия геном на примитивен хетеротроф с ДНК/протеин в нишковидна цианобактерия със 7000 гена е отнело само 7 милиона години.

История на земната атмосфера

Първоначално в атмосферата на Земята почти не е имало свободен кислород. Тя постепенно се е променила до днешния си вид в продължение на много дълъг период от време (вж. "Голямото кислородно събитие"). Процесът е започнал с цианобактериите. Те са били първите организми, които са произвеждали свободен кислород чрез фотосинтеза. Днес повечето организми се нуждаят от кислород за своя метаболизъм; само някои могат да използват други източници за дишане.

Затова се очаква първите протоорганизми да са били хемоавтотрофи и да не са използвали аеробно дишане. Те са били анаеробни.

Текущи модели

Няма "стандартен модел" за това как е започнал животът. Повечето приети модели се основават на молекулярната биология и клетъчната биология:

1. Тъй като има подходящи условия, се създават някои основни малки молекули. Те се наричат мономери на живота. Аминокиселините са един вид от тези молекули. Това е доказано чрез експеримента на Милър-Ури, проведен от Стенли Л. Милър и Харолд К. Ури през 1953 г., и сега знаем, че тези основни градивни елементи са разпространени в цялото пространство. На ранната Земя е трябвало да има всички тях.
2. Фосфолипиди, които могат да образуват липидни бислоеве, основен компонент на клетъчната мембрана.
3. Нуклеотиди, които могат да се свържат в случайни молекули РНК. Това би могло да доведе до самовъзпроизвеждащи се рибозими (хипотеза за света на РНК).
4. Конкуренцията за субстрати ще доведе до превръщането на минипротеините в ензими. Рибозомата е от решаващо значение за синтеза на протеини в съвременните клетки, но нямаме представа как е еволюирала.
5. В началото рибонуклеиновите киселини са били катализатори, но по-късно нуклеиновите киселини се специализират за геномна употреба.

Произходът на основните биомолекули, макар и да не е изяснен, не е толкова спорен, колкото значението и редът на стъпки 2 и 3. Основните химикали, от които се смята, че се е образувал животът, са:

• Метан (CH ),₄
• Амоняк (NH ),₃
• Вода (H O),₂
• Водороден сулфид (H S),₂
• въглероден диоксид (CO₂ ) или въглероден оксид (CO), и
• Фосфат (PO ).₄^3-
• Водороден цианид (HCN)

Молекулярният кислород (O₂ ) и озонът (O₃ ) се срещат рядко или отсъстват.

Три етапа

• Етап 1: Произход на биологичните мономери
• Етап 2: Произход на биологичните полимери
• Етап 3: Еволюция от молекули към клетки

Бернал предполага, че еволюцията може да е започнала рано, някъде между Етап 1 и Етап 2.

Произход на органичните молекули

На ранната Земя има три източника на органични молекули:

1. органичен синтез чрез енергийни източници (като ултравиолетова светлина или електрически разряди).
2. доставка от извънземни обекти, като например въглеродни метеорити (хондрити);
3. органичен синтез, задвижван от ударни шокове.

Оценките на тези източници показват, че тежката бомбардировка преди 3,5 милиарда години е направила достъпни количества органични вещества, сравними с тези, произведени от други енергийни източници.

Експериментът на Милър и първичната супа

През 1953 г. студентът Стенли Милър и неговият професор Харолд Ури провеждат експеримент, който показва как органичните молекули са могли да се образуват на ранната Земя от неорганични прекурсори.

В известния експеримент на Милър-Ури се използва силно редуцирана смес от газове - метан, амоняк и водород - за образуване на основни органични мономери, като например аминокиселини. Сега знаем, че през повече от първата половина от историята на Земята в нейната атмосфера почти не е имало кислород.

Експерименти на Fox

През 50-те и 60-те години на миналия век Сидни У. Фокс изучава спонтанното образуване на пептидни структури при условия, които може да са съществували в началото на историята на Земята. Той доказва, че аминокиселините могат сами да образуват малки пептиди. Тези аминокиселини и малки пептиди могат да бъдат стимулирани да образуват затворени сферични мембрани, наречени микросфери.

Специални условия

Някои учени са предложили специални условия, които биха могли да улеснят клетъчния синтез.

Глинен свят

А. Греъм Керънс-Смит предлага глинен модел за произхода на живота. Теорията за глината предполага, че сложните органични молекули са възникнали постепенно върху предварително съществуваща неорганична платформа, а именно силикатни кристали в разтвор.

Модел на дълбоко гореща биосфера

През 70-те години на миналия век Томас Голд предлага теорията, че животът се е развил не на повърхността на Земята, а на няколко километра под нея. Откриването в края на 90-те години на 20 век на наноби (нишковидни структури, които са по-малки от бактериите, но които могат да съдържат ДНК в дълбоките скали) може да подкрепи теорията на Голд.

Понастоящем е достатъчно добре установено, че микробният живот е многоброен на малки дълбочини в Земята (до пет километра под повърхността) под формата на екстремофилни археи, а не на по-известните еубактерии (които живеят в по-достъпни условия).

Голд твърди, че за оцеляването е необходима струя храна от дълбок, недостъпен източник, защото животът, възникнал в локва от органични материали, вероятно ще изконсумира цялата си храна и ще изчезне. Според теорията на Голд притокът на храна се дължи на изхвърлянето на първичен метан от земната мантия.

Самоорганизация и репликация

Самоорганизацията и самовъзпроизвеждането са характерни за живите системи. Неживите молекули понякога проявяват тези характеристики при подходящи условия. Например Мартин и Ръсел показват, че клетъчните мембрани, отделящи съдържанието от околната среда, и самоорганизацията на самостоятелни окислително-редукционни реакции са най-запазените характеристики на живите организми. Те твърдят, че подобна неорганична материя би била най-вероятният последен общ предшественик на живота.

Теории

Хипотеза за света на РНК

В тази хипотеза се твърди, че РНК работи едновременно като ензим и като контейнер за гени. По-късно ДНК поема генетичната си роля.

Хипотезата за света на РНК предполага, че животът, основан на рибонуклеинова киселина (РНК), е съществувал преди настоящия свят на живот, основан на дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК), РНК и протеини. РНК може да съхранява генетична информация като ДНК и да катализира химични реакции като ензим. Възможно е тя да е поддържала предклетъчния живот и да е била важна стъпка към клетъчния живот.

Съществуват някои доказателства, които подкрепят тази идея:

1. Има някои РНК, които работят като ензими.
2. Някои вируси използват РНК за наследственост.
3. Много от най-основните части на клетката (тези, които се развиват най-бавно) се нуждаят от РНК.

Метаболизъм и протеини

Тази идея предполага, че протеините първо са работили като ензими, произвеждайки метаболизъм. След това ДНК и РНК са започнали да работят като контейнери на гени.

Тази идея има и някои доказателства, които я подкрепят.

1. Протеинът като ензим е от съществено значение за днешния живот.
2. Някои аминокиселини се образуват от по-основни химикали при експеримента на Милър-Ури. Някои отричат тази идея, защото протеините не могат да се копират.

Липиди

При тази схема мембраните, изградени от липидни бислоеве, се появяват в началото. След като органичните химикали са затворени в тях, е възможна по-сложна биохимия.

Панспермия

Това е идеята, предложена от Арениус и развита от Фред Хойл, че животът се е развил другаде във Вселената и е пристигнал на Земята под формата на спори. Това не е теория за това как е възникнал животът, а теория за начина, по който той би могъл да се разпространи. Възможно е да се е разпространил, например, чрез метеорити.

Някои смятат, че ранният Марс е бил по-добро място за зараждане на живот, отколкото ранната Земя. Молекулите, които са се комбинирали, за да образуват генетичен материал, са по-сложни от "първичната супа" от органични (въглеродни) химикали, съществувала на Земята преди четири милиарда години. Ако РНК е била първият генетичен материал, то минералите, съдържащи бор и молибден, биха могли да подпомогнат образуването му. Тези минерали са много по-разпространени на Марс, отколкото на Земята.

В областта на религията

В християнството някои хора отхвърлят идеята за еволюцията. Те вярват, че Земята е само на няколко хиляди години. Това е известно като креационизъм на младата Земя. В Библията обаче не се посочва изрично възрастта на Земята, а само това, че "В началото Бог създаде небето и земята" (Битие 1:1).

Свързани страници

• Астробиология
• Най-ранните известни форми на живот