If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Хипотези за произхода на живота

Хипотезата Опарин-Холдейн, експериментът Милър-Юри и РНК светът.

Ключови точки:

  • Земята се е образувала преди приблизително 4, comma, 5 милиарда години, а животът вероятно е започнал преди 3, comma, 5 до 3, comma, 9 милиарда години.
  • Хипотезата на Опарин-Холдейн предлага, че животът се е зародил постепенно от неорганични молекули: най-напред са се образували „градивните елементи“ на формите на живот, като аминокиселините, които след това са се комбинирали в сложни полимери.
  • Експериментът на Милър-Юри доказва за пръв път, че необходимите за живота органични молекули могат да се получат от неорганични компоненти.
  • Някои учени подкрепят хипотезата за РНК-свят, според която първата форма на живот е била самореплицираща се РНК. Други са на страната на хипотезата за метаболизма, която поставя метаболитните пътища преди ДНК или РНК.
  • Прости органични съединения може да са достигнали до ранната Земя чрез метеорити.

Въведение

Ако има други форми на живот някъде във Вселената, мислиш ли, че ще приличат на тези на Земята? Ще използват ли ДНК като генетичен материал, подобно на теб и мен? Ще бъдат ли изградени от клетки?
Можем само да спекулираме по тези въпроси, тъй като все още не сме открили форми на живот с извънземен произход. Но предположенията ни за това дали има живот на други планети (и при какви условия може да съществува) ще са по-информирани, ако помислим за това как животът е възникнал на нашата собствена планета.
В тази статия ще разгледаме научните идеи за произхода на живота на Земята. Отговорът на въпроса кога е възникнал животът (преди 3, comma, 5 милиарда години или по-рано) е добре подкрепен с доказателства от фосили и радиоактивно датиране. Но отговорът на въпроса как е възникнал животът не е толкова ясен. В сравнение с централната догма на биологията или с теорията за еволюцията, хипотезите за произхода на живота са много по-...хипотетични. Никой не е сигурен коя хипотеза е правилна и дали правилната хипотеза не е някъде в бъдещето, чакаща да я открием.

Кога се е появил животът на Земята?

Геолозите са установили, че Земята се е формирала преди около 4, comma, 5 милиарда години. До тази оценка се стига чрез измерването на възрастта на най-старите скали на Земята, както и на лунни скали и метеорити чрез радиоактивно датиране, при което разпадът на радиоактивни изотопи се използва, за да се изчисли кога се е формирала дадена скала.
В продължение на милиони години ранната планета Земя е била обстрелвана от астероиди и други небесни тела. Температурите са били много високи (водата е била в газообразно, а не в течно състояние). Първите форми на живот вероятно са се появили по време на пауза между астероидните бомбардировки, преди около 4, comma, 4 до 4, comma, 0 милиарда години. Тогава е било достатъчно хладно, за да може водата да кондензира под формата на океаниstart superscript, 1, end superscript. Обаче има и втора бомбардировка: преди 3, comma, 9 милиарда години. Смята се, че след това последно обстрелване Земята става способна да поддържа устойчив живот.

Най-старите фосилни доказателства за живот на Земята

Най-ранните доказателства за живот на Земята идват от фосили, открити в западна Австралия, които са на 3, comma, 5 милиарда години. Това са вкаменелости на структури наречени строматолити, които в много случаи са се формирали при натрупване на слоеве от отложения от едноклетъчни микроби, например от цианобактерии. (Строматолити се образуват и от днешните микроорганизми, не само от праисторическите.)
Снимка: „Строматолит“ от Дидие Декуен, CC BY-SA 4.0.
Най-старите фосили на микроби, а не просто на техни странични продукти, пазят останките на серни бактерии. Тези вкаменелости също са открити в Австралия и са на около 3, comma, 4 милиарда годиниsquared.
Бактериите са относително сложни форми на живот, което предполага, че животът на Земята се е зародил много по-рано от преди 3, comma, 5 милиарда години. Но липсата на по-стари фосилни доказателства прави точното определяне във времето на началото на живота много трудно (ако не и невъзможно).

Как се е зародил животът?

През 1920-те години руският учен Александър Опарин и английският учен Дж. Б. С. Холдейн независимо един от друг предлагат хипотеза, която днес наричаме хипотезата на Опарин-Холдейн. Според нея животът на Земята може да е възникнал стъпка по стъпка от нежива материя чрез процес на „постепенна химическа еволюция.“cubed
Според Опарин и Холдейн ранната Земя е имала редуцираща атмосфера, това означава бедна на кислород атмосфера, в която молекулите са склонни да отдават електрони. Те предлагат, че при тези условия:
  • Прости неорганични молекули са реагирали с помощта на енергия от мълнии или от Слънцето и са формирали градивни елементи като аминокиселините или нуклеотидите. Тези градивни елементи може да са се натрупали в океаните, създавайки „първичен бульон“.cubed
  • В следващи реакции градивните елементи може да са се комбинирали, образувайки по-големи и по-сложни молекули (полимери) като белтъци и нуклеинови киселини, вероятно в плитчини по края на първичния океан.
  • Полимерите може да са се обединили в изграждането на устойчиви единици или структури, способни да се възпроизвеждат. Опарин смята, че това може да са били „колонии“ от белтъци, струпани заедно, за да извършват метаболитни процеси, докато Холдейн предлага, че макромолекулите са били обградени от мембрани и са образували структури, подобни на клеткиstart superscript, 4, comma, 5, end superscript.
Подробностите в този модел може да не са напълно верни. Днес геолозите са на мнение, че ранната атмосфера не е била редуцираща и не е ясно дали краищата на океана са местата, където животът се е появил за пръв път. Но основната идея за постепенно формиране на живота - спонтанна поява на прости градивни елементи, последвана от поява на по-сложни полимери и на самовъзпроизвеждащи се биологични молекули или функционални единици, и днес е в основата на повечето хипотези за произход на живота.

От неорганични съединения до градивните елементи на живота

През 1953 г. Стенли Милър и Харолд Юри провеждат експеримент, за да тестват идеите на Опарин и Холдейн. Те откриват, че спонтанното производство на органични молекули при редуциращи условия, подобни на тези на ранната Земя, е възможно.
Милър и Юри построяват затворена система, състояща се от съд с вода, която се затопля и смес от газове, които се смятат за широко разпространени в атмосферата на ранната Земя (start text, H, end text, start subscript, 2, end subscriptstart text, O, end text, start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, C, H, end text, start subscript, 4, end subscript и start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript). За да симулират мълния, която може да е била източникът на енергия за химичните реакции в ранната атмосфера на Земята, Милър и Юри пускат искри електричество през експерименталната система.
Фигура, показваща апаратурата, използвана от Милър и Юри, за да симулират условията на ранната Земя.
Снимка: „Експериментът на Милър и Юри“ от фондация CK-12, CC BY-NC 3.0.
След като оставят експериментът да протича в продължение на една седмица, Милър и Юри откриват, че различни видове аминокиселини, захари, липиди и други органични молекули са се формирали. Големи комплексни молекули като ДНК и белтъци отсъстват. Но експериментът на Милър-Юри показва, че някои от градивните елементи на тези молекули могат да се образуват спонтанно от прости съединения.

Какво е значението на резултатите на Милър и Юри?

Днес учените смятат, че атмосферата на ранната Земя е била различна от представената в модела на Милър и Юри (тоест не е била редуцираща и богата на амоняк и метан)start superscript, 6, comma, 7, end superscript. Така че можем да подложим на съмнение дали Милър и Юри са използвали точна репрезентация на условията на ранната Земя.
Въпреки това редица експерименти, направени в следващите години, показват, че органични градивни елементи (особено аминокиселини) могат да се образуват от неорганични прекурсори в широк диапазон от условияstart superscript, 8, end superscript.
Знаейки резултатите от тези експерименти, изглежда разумно да предположим, че поне някои от градивните елементи на живота са се формирали абиотично на ранната Земя. Но как точно и при какви условия остава нерешен въпрос.

От градивни елементи до полимери

Как мономери (градивни елементи) като аминокиселините или нуклеотидите са успели да сформират полимери или биологични макромолекули на ранната Земя? В съвременните клетки полимерите се образуват с помощта на ензими. Но самите ензими също са полимери, така че стигаме до въпроса за кокошката и яйцето!
Възможно е мономерите да са успели да формират полимери при условията на ранната Земя. Например през 1950-те години биохимикът Сидни Фокс и колегите му откриват, че ако аминокиселини се нагреят в отсъствието на вода, те могат да се свържат и да образуват белтъциstart superscript, 10, end superscript. Фокс предлага, че на ранната Земя океанска вода, носеща аминокиселини, може да е заляла гореща повърхност, например поток от лава, и тогава водата се е изпарила и се е образувал белтък.
Снимка: „Mонтморилонит“ от Ян Каменичек, CC BY-SA 3.0.
Допълнителни експерименти от 1990-те години показват, че РНК нуклеотидите могат да се свържат, когато се намират върху глинени повърхностиstart superscript, 11, end superscript. Глината играе ролята на катализатор за формиране на РНК полимери. По-общо казано глина и други минерални повърхности може да са изиграли ключова роля за появата на полимери, подпомагайки реакциите като катализатори. Полимерите, носещи се в разтвор, може да са се хидролизирали (разграждали) бързо, което подкрепя модела за закрепяне за глинени повърхностиstart superscript, 12, end superscript.
На снимката горе можеш да видиш пример за един вид глина, наречен монтморилонит. Монтморилонитът има каталитични и организиращи свойства, които може да са били важни за произхода на живота, например способността на този вид глина да катализира образуването на РНК полимери, както и формирането на липидни везикули, подобни на клеткиstart superscript, 13, end superscript.

Какъв е бил най-ранният живот?

Дори и да си представим, че е било възможно полимери да се формират на ранната Земя, остава въпросът как полимерите са станали самореплициращи се или самовъзпроизвеждащи се, така че да отговорят на най-основното условие за форма на живот. Това е област, в която има много различни идеи, но малко увереност за това кой е правилният отговор.

Гените като основоположници на живота

Една възможност е първите форми на живот да са били самовъзпроизвеждащи се нуклеинови киселини, като РНК или ДНК, след което други елементи (като метаболитни пътища) може да са се развили като "допълнения" към тази основна система. Тази хипотеза представя гените като основоположници на животаstart superscript, 14, end superscript.
Много учени, които подкрепят тази хипотеза, считат, че РНК, а не ДНК, е била изначалният генетичен материал. Това се нарича хипотеза за РНК-свят. Учените считат по няколко причини, че именно РНК, а не ДНК, е по-вероятно да е първоначалната генетична молекула. Може би най-важната от тях е, че РНК може да кодира информация, но също така може да изпълнява функция на катализатор. За разлика от това до днес не познаваме естествено срещани каталитични молекули на ДНКstart superscript, 15, comma, 16, end superscript.
РНК катализаторите се наричат рибозими и е възможно те да са имали важна роля в РНК-света. Каталитична РНК може да е катализирала химична реакция, при която е копирала сама себе си. Такава самореплицираща се РНК може да предава генетичен материал от поколение на поколение, изпълнявайки най-основното условие за жива форма и е възможно да претърпи еволюция. Всъщност учените са синтезирали изкуствено малки рибозими, които имат способността да се самореплицират.
Също така е възможно РНК да не е била първата молекула, носеща информация, която служи за генетичен материал. Някои учени смятат, че първоначално е имало по-проста „РНК-подобна“ молекула със способности да катализира реакции и да носи информация. Възможно е тя да е послужила за шаблон за синтеза на РНК и да го е катализирала. Това понякога се нарича хипотеза за преРНК-святstart superscript, 17, end superscript.

Метаболизмът като основоположник на живота

Хипотеза, алтернативна на тази, поставяща гените в основата на живота, предлага метаболизма за основоположник на живите форми. Според тази хипотеза самоподдържащи се мрежи от метаболитни реакции са били първата проста форма на живот (преди появата на нуклеиновите киселини)start superscript, 14, comma, 18, end superscript.
Тези мрежи може да са се образували в близост до подводни хидротермални цепнатини, осигуряващи непрекъснато снабдяване с химични прекурсори. Метаболитните мрежи от процеси може да са били самоподдържащи се и устойчиви, т.е. отговарящи на основното условие за жива форма. При този вариант е възможно прости пътища да са произвели молекули, които изпълняват функция на катализатори за формирането на по-сложни молекулиstart superscript, 18, end superscript. В крайна сметка мрежите от метаболитни реакции може да са довели до формиране на големи молекули като белтъци и нуклеинови киселини. А образуването на „отделени“ мрежи, обградени от мембрани (отделени от общата мрежа на метаболитни пътища), да е била по-късна стъпка в процеса на поява на живи форми от самоподдържащи се метаболитни мрежиstart superscript, 14, end superscript.

Как са изглеждали ранните клетки?

Основно свойство на клетката е способността ѝ да поддържа вътрешната си среда различна от външната среда. Днешните клетки са отделени от външната среда чрез двоен фосфолипиден слой. Малко вероятно е да е имало фосфолипиди в условията, в които са се появили първите клетки, но други видове липиди, които е вероятно да са присъствали, също показват свойството спонтанно да образуват пространства, оградени от двоен липиден слойstart superscript, 19, end superscript.
Възможно е този вид двоен липиден слой да е обградил самовъзпроизвеждащ се рибозим или компоненти от метаболитен път, създавайки примитивна клетка. Въпреки че е интересна, тази идея все още не е подкрепена от експериментални доказателства, т.е. досега учените не са успели да проведат експеримент, в който спонтанно да се създаде самовъзпроизвеждаща се клетка от абиотични (неживи) елементи.

Друга възможност: органични молекули от космоса

Органичните молекули може да са се формирали спонтанно от неорганични молекули à la Милър и Юри. Но възможно ли е да са дошли от космоса?
Идеята органичните молекули да са пристигнали до Земята, носени от метеорити, може да звучи като научна фантастика, но всъщност е подкрепена от разумни доказателства. Например учени са открили, че органични молекули могат да се получат от прости химични прекурсори, които се срещат в космоса при условия, които съществуват в космоса (силно UV облъчване и ниска температура)start superscript, 20, end superscript. Също така знаем, че някои органични съединения се откриват в космоса и в други звездни системи.
Едно от най-важните доказателства е, че метеоритите могат да съдържат органични съединения, произлизащи от космоса, а не от Земята. Един такъв метеорит е ALH84001. Той идва от Марс и съдържа органични молекули с множество пръстеновидни структури. Друг пример е метеоритът Мърчисън, който носи азотни бази, подобни на тези в ДНК и РНК, както и голямо разнообразие от аминокиселини.
Метеорит, паднал в Канада през 2000 г., съдържа малки органични структури, наречени "органични капчици". Учени от НАСА мислят, че такъв вид метеорити може да са падали често на Земята през ранната ѝ история, носейки органични съединенияstart superscript, 21, end superscript.

Обобщение

Как е произлязъл животът на нашата планета е изключително интересен и сложен въпрос. Знаем приблизително кога е започнал животът, но как все още е загадка.
  • Милър, Юри и други учени показват, че прости неорганични молекули могат да образуват органични градивни елементи, необходими за формиране на живота, какъвто го познаваме днес.
  • След като са се появили, тези органични градивни елементи може да са формирали полимери като белтъци или РНК.
  • Много учени подкрепят хипотезата за РНК-свят, според която РНК, а не ДНК, е била първата генетична молекула на живота на Земята. Други идеи включват хипотезата за преРНК-свят и за метаболитните пътища като основа на живота.
  • Органични съединения може да са достигнали до ранната Земя чрез метеорити или други космически тела.
Това не са единствените научни идеи за това как е възникнал животът, но никоя от тях не е окончателна. Дръж ушите (и ума) си отворени за нова информация и нови научни идеи за произхода на живота.