ХІМІЧНА ЕВОЛЮЦІЯ І ВИНИКНЕННЯ ЖИТІЯ НА ЗЕМЛІ

РОЗДІЛ ІІІ ІСТОРИЧНИЙ РОЗВИТОК ОРГАНІЧНОГО СВІТУ

ТЕМА 2. ІСТОРИЧНИЙ РОЗВИТОК І РІЗНОМАНІТНІСТЬ ОРГАНІЧНОГО СВІТУ

§ 44. ХІМІЧНА ЕВОЛЮЦІЯ І ВИНИКНЕННЯ ЖИТІЯ НА ЗЕМЛІ

Терміни і поняття: самозародження; хімічна, або передбіологічна, еволюція;, абіогенез; біогенез; коацервати; протобіонти; протоклітини; архебіонти; гіпотеза панспермії.

Абіогенез і самозародження. Першими свої думки про те, як на Землі з’явилося життя, висловлювали ще прадавні мудреці. Уже тоді вони припускали, що живі організми виникли з неорганічної матерії. В

античні часи ідея самозародження (спонтанного зародження) живих істот з неживих матеріалів сприймалася як щось само собою зрозуміле. У Середньовіччі уявлення про походження життя набули форми релігійної догми. Одним з її постулатів стала ідея про виникнення живих істот з грунту в процесі гниття під впливом животворящого духу.

Середньовічний природодослідник Ян Батіста ван Гельмонт (1579-1644), наприклад, пропонував такий спосіб одержання мишей. Відкритий глечик слід набити брудною білизною і додати

туди пшениці. Приблизно через три тижні варто очікувати зародження мишей, “оскільки закваска, що перебувала в білизні, проникає крізь пшеничну лушпайку й перетворює пшеницю на мишу”. Середньовічний філософ і богослов Фома Аквінський (1225-1274) вважав, що паразити та інші тварини-шкідники зароджуються з волі диявола, який прагне таким витонченим способом завдати шкоди людині.

В епоху Відродження активно поширилася легенда про гомункулуса – крихітну людинку, яку можна створити з глини, грунту або іншої неживої матерії за допомогою магічних заклинань і обрядів.

Помилковість ідеї про самозародження життя документально довів італійський лікар Франческо Реді (1626-1698). Він провів ряд дослідів, які показали, що м’ясні мухи, всупереч думці, що тоді побутувала, розвиваються з відкладених самками яєць, а не зароджуються самі по собі в гниючому м’ясі. Так, Реді брав два шматки м’яса, розкладав їх у два глиняних горщики, один з яких накривав серпанком. Через якийсь час у відкритому горщику розвивалися личинки, а в закритому не було жодних ознак личинок або мух. Відтак учений зробив

 ХІМІЧНА ЕВОЛЮЦІЯ І ВИНИКНЕННЯ ЖИТІЯ НА ЗЕМЛІ

Мал. 195. Ф. Реді.

 ХІМІЧНА ЕВОЛЮЦІЯ І ВИНИКНЕННЯ ЖИТІЯ НА ЗЕМЛІ

Мал. 196. Л. Пастер у своїй Лабораторії.

 ХІМІЧНА ЕВОЛЮЦІЯ І ВИНИКНЕННЯ ЖИТІЯ НА ЗЕМЛІ

Мал. 197. Колба, яку використав Л. Пастер у своєму досліді.

Висновок: мухи сідають на гниюче м’ясо й відкладають у нього личинки, в результаті чого народжуються нові мухи.

Проте у більшості біологів аж до XIX ст. не виникало сумніву, що властивістю самозародження володіють усі одноклітинні організми. Цю ідею розвінчав тільки у 1865 р. видатний мікробіолог Луї Пастер (1822-1895). На той час вже було відомо, що після тривалого кип’ятіння у закритій пробкою колбі будь-якого середовища, воно залишається стерильним доти, поки колба залишається невідкоркованою. Однак прихильників ідеї самозародження не переконував цей дослід. Вони вважали, що для самозародження необхідне чисте, а не прогріте повітря. Тому на замовлення Пастера спеціально виготовили колбу з вигнутим у вигляді лебединої шиї горлечком (мал. 197). Прокип’ячений у такій колбі живильний бульйон не проростав бактеріями так само, як і в колбі, закритій пробкою. Пастер пояснював це тим, що мікроорганізми, які проникають у таку колбу разом з повітрям, осідають на вигинах горлечка. Свої слова він підтвердив, струснувши колбу так, щоб бульйон обполоскав стінки горлечка. Саме після цього через деякий час у відварі з’явилися бактерії. У такий спосіб Л. Пастер довів, що у середовищі, позбавленому мікроорганізмів, неможливе їх зародження навіть за ідеальних умов.

Нині притулком ідеї самозародження організмів залишається креаціонізм – релігійно-філософська концепція, яка різноманітність живої природи, людство, Землю і Всесвіт розглядає як акт божественного творення.

Заперечення ідеї можливості спонтанного зародження організмів у сучасних умовах не суперечить науковим уявленням про те, що життя на Землі виникло з неорганічної матерії мільярди років тому в результаті хімічної, або, як ще її називають, передбіологічної еволюції. Ідея передбіологічного розвитку природи, який спричинив утворення життя, дістала назву абіогенезу (від грец. а – не, біос і генезіс). Нині вважають, що еволюція життя на нашій планеті складається з двох етапів: абіогенезу та біогенезу – власне біологічної еволюції, коли живі організми походять тільки від живих організмів.

Хімічна еволюція. Матеріальна сутність тіл живих організмів досить проста. Вони побудовані з полімерних органічних сполук, основу яких становлять сполуки атомів Карбону. А процес життєдіяльності – це не що інше, як сукупність упорядкованих, що випливають одна з одної, хімічних реакцій. Подумки розклавши клітину на окремі структури і макромолекули, з яких вона побудована, а метаболізм організму спочатку на біохімічні цикли, а потім на окремі реакції, легко уявити логіку поступового ускладнення будови хімічних сполук і реакцій, яке могло відбуватися мільярди років тому. У лабораторних умовах, що імітують умови первісної Землі, можливо спочатку здійснити синтез найпростіших біогенних сполук, потім з них одержати біополімери, що мають каталітичну активність, а потім – структури, що нагадують клітинну мембрану. Тим самим можна довести принципову можливість хімічної еволюції – поступального процесу появи нових хімічних сполук, більш складних і високоорганізованих порівняно з вихідними речовинами, що відбувався на Землі перед виникненням життя.

Основні положення концепції хімічної еволюції такі.

– Життя на Землі виникло природним шляхом з неорганічних речовин з витратою енергії, яка надходила іззовні.

– Виникнення життя – це процес появи дедалі нових хімічних сполук та хімічних реакцій.

– Хімічна еволюція – процес, який протікав протягом мільярдів років у дуже специфічних умовах під впливом потужних зовнішніх джерел енергії.

– Важливу роль у хімічній еволюції відіграв передбіологічний добір, що сприяв виникненню, насамперед, складних сполук, у яких здатність до обміну речовин поєднувалася зі здатністю до самовідтворення.

– Ключовим у процесі хімічної еволюції був фактор самоорганізації, властивий усім складним системам, до яких відносяться й органічні молекули.

А чи можна в сучасних умовах на Землі знайти граничний стан між неживим і живим? Виявляється, можна. Це ті самі віруси, які виявляють властивості як живого, так і неживого, хоча, як вважає більшість учених, не мають жодного відношення до хімічної еволюції і походження життя. Цікавішою є знахідка зовсім нового прикордонного стану між живим і неживим – так званих нанобактерій. Це дуже дрібні кулясті субстанції, які за розмірами не перебільшують віруси. їх можна розгледіти лише в електронний мікроскоп. Більшість учених вважають їх біомінералами. Нанобактерії здатні до самовідтворення у присутності певних вітамінів. їх розмноження при цьому відбувається шляхом самокопіювання. Нанобактерії не містять ані ДНК, ані PHK, ані будь-яких білків. Хімічні процеси у цих субстанціях відбуваються інакше, ніж у прокаріотів, а швидкість їх росту у тисячі разів менша, ніж у бактерій.

Сучасні уявлення про основні етапи абіогенезу. Утворення поширених у живій природі органічних сполук поза організмом проходить ряд етапів.

1. Синтез органічних мономерів: органічних кислот, амінокислот, вуглеводів, азотистих основ. Для цього на первісній Землі були всі умови: кількість води, метану, аміаку і ціанідів, відсутність кисню та інших окис – нювачів (атмосфера мала відновний характер), а також надлишок вільної енергії у вигляді ультрафіолетового випромінювання, електричних розрядів і вулканічної діяльності.

Можливість синтезу амінокислот та інших низькомолекулярних органічних сполук з хімічних елементів і неорганічних сполук доведена експериментально. Для цього складові атмосфери тогочасної Землі (вуглекислий газ, метан і аміак, водяна пара) були вміщені у замкнену колбу й крізь цю суміш пропущені електричні розряди (мал. 198). У результаті вдалося синтезувати ряд порівняно складних біогенних сполук: амінокислоти (гліцин, аланін, аспарагінову кислоту), янтарну й молочну кислоти, інші низькомолекулярні органічні сполуки. Схожі результати були отримані неодноразово, у тому числі за використання інших джерел енергії, інших газів, їх різного співвідношення. Враховуючи, що нині у міжпланетному просторі знайдені десятки простих органічних сполук, можна цілком обгрунтовано припустити, що за мільярди років до виникнення життя концентрація органічних сполук на Землі місцями могла бути досить високою. Розчинені у воді, вони утворювали так званий “первинний бульйон”.

2. Синтез органічних полімерів, що здійснювався з наявних мономерів, став наступним етапом хімічної еволюції. Каталізаторами могли бути іони металів, а матрицею – частки глини. У результаті цього процесу в “первинному бульйоні” утворювалися різні поліпептиди і найпростіші ліпіди (пригадайте, з яких двох компонентів побудовані жири). Вони сполучалися один з одним, утворюючи складніші багатомолекулярні комплекси – коацервати (від лат. коацерватус – зібраний докупи), що мали вид крапель із чіткими межами (мал. 199). Коацервати вже були здатні поглинати різні речовини, в них відбувалися різні реакції, зокрема полімеризація мономерів, що надходили іззовні. За рахунок цих реакцій краплі могли рости – збільшуватися в об’ємі, а після досягнення критичної маси розмножуватися – дробитися на дочірні краплі. Автором

 ХІМІЧНА ЕВОЛЮЦІЯ І ВИНИКНЕННЯ ЖИТІЯ НА ЗЕМЛІ

Мал. 198. Схема лабораторної установки, яка імітувала умови первісної Землі під час абіогенезу.

 ХІМІЧНА ЕВОЛЮЦІЯ І ВИНИКНЕННЯ ЖИТІЯ НА ЗЕМЛІ

Мал. 199. Коацерватні краплі в мікроскопі.

 ХІМІЧНА ЕВОЛЮЦІЯ І ВИНИКНЕННЯ ЖИТІЯ НА ЗЕМЛІ

Мал. 200. Будова типового протобіонта: 1 – мікрочастки; 2 – РНК;

3 – зовнішня мембрана; 4 – впинання мембрани.

Ідеї коацерватних крапель, якому вдалося одержати їх у лабораторних умовах ще в 20-х роках XX ст., був російський біохімік Олександр Іванович Опарін (1894-1980).

Найстійкіші коацерватні краплі завдяки передбіологічному добору діставали перевагу, яка забезпечила вдосконалювання світу молекул.

3. Утворення комплексів білків і нуклеїнових кислот, пов’язана з цим поява реакцій матричного типу, виникнення ліпідних мембран. Лише наявністю коацерватів, що складаються з білків і ліпідів, не можна пояснити, яким чином найбільш ефективно побудовані коацерватні краплі передають свої виняткові особливості з покоління в покоління. Для цього потрібний спадковий апарат. Вважають, що спочатку він будувався виключно з молекул РНК, які забезпечували всі матричні процеси, а ДНК виникла значно пізніше. Найімовірніше, що на певному етапі коацервати вступили у симбіоз із колоніями молекул, здатних до самовідтворення. Це й призвело до формування перших по-справжньому автономних біологічних систем – протобіонтів (від грец. протос – перший і біос) (мал. 200).

4. Поява перших біологічних систем і організмів. Саме поява протобіонтів, як вважають, завершила процес хімічної еволюції. Одні дослідники розглядають їх як неживі субстанції, інші – як дуже примітивні живі істоти зі своєю еволюцією. За час існування протобіонтів утворилися справжні ферменти, різко зросла стійкість матричного синтезу й почали утворюватися клітинні мембрани. Саме з них понад 3,5 млрд років тому виникли архебіонти (від грец. археос – стародавній і біос) – перші організми. Як вважається, вони вже мали три основних клітинних компоненти: клітинну мембрану, цитоплазму, генетичний апарат. В архебіонтів з’явилися електрон – транспортні ланцюги, виникли реплікація нуклеїнових кислот і біосинтез білка, які здійснювалися на основі генетичного коду.

У лабораторних умовах донині не вдалося синтезувати живих організмів, хоча є конкретні успіхи, які дають підставу вважати, що передбіологічна еволюція – це перспективна гіпотеза, що являє значний науковий інтерес. У пробірках з неорганічних речовин не тільки вдалося одержати амінокислоти і синтезувати з них найпростіші поліпептидні ланцюги, а й із цих поліпептидних ланцюгів і води створити протоклітини – частки сферичної форми (мал. 201). Ці протоклітини можуть збільшуватися у розмірах, ділитися, брунькуватися, мають ферментативну активність.

Концепція космічного виникнення життя на Землі. Наукова ідея, згідно з якою життя могло бути занесене з космосу (мал. 202), дістала назву концепції панспермії (від грец. пан – усі і сперматос). Думку про занесення життя з космосу, висловлену у 1865 р. Г. Е. Ріхтером, обгрунтував шведський астроном, фізик і хімік Сванте Август Арреніус (1859-1927). Він підрахував, що фотони світла тиснуть на частки, які за діаметром дорівнюють спорам бактерій. Завдяки цьому, спори з величезними швидкостями можуть переміщуватися у міжпланетному просторі. Припускалося, що спори потрапили на Землю з метеоритами або космічним пилом. Непрямим підтвердженням цього припущення є те, що спори бактерій можуть перебувати у стані спокою тисячоліттями, витримувати тривале перебування за температури абсолютного мінімуму (-273 °С), вони надзвичайно стійкі до радіації й ультрафіолетового випромінювання, вакууму та інших хімічних і фізичних впливів.

Надзвичайно стійкими до факторів космічного середовища є не тільки спори бактерій, а й деякі групи багатоклітинних тварин, наприклад тихоходки – окремий клас типу Членистоногі (мал. 203). У стані діапаузи ці мікроскопічні, схожі на ведмежат тваринки витримують: нагрівання до +150 °С і охолодження до -271 °С, тиск близько 6000 атмосфер, що в шість раз перевищує тиск на дні найглибшого місця в океані, перебування у вакуумі, вплив найсильнішого рентгенівського випромінювання (570 000 рентген убиває тільки 50 % опромінених особин. Порівняйте: для людини смертельною дозою радіації є 500 рентген); перебування в чистому водні; висихання тривалістю понад 100 років; повну відсутність кисню.

Проте детальні космічні та інші дослідження не дали безсумнівних фактів на підкріплення гіпотези панспермії. Будь-яких живих часток у космосі або на планетах Сонячної системи не виявлено. Досі немає даних, що підтверджують реальність занесення одноклітинних організмів метеоритами. Усі спори або бактерії, начебто виявлені у каменях позапланетного походження, виявилися звичайними земними видами. Та навіть якщо припустити, що перші організми потрапили на Землю з космосу й їм підійшли для життя умови, які були на Землі 3-4 млрд років тому, що вони розмножувалися і згодом започаткували органічну еволюцію й життя на планеті, все одно залишається відкритим питання про первісне виникнення життя й можливості передбіологічної еволюції.

 ХІМІЧНА ЕВОЛЮЦІЯ І ВИНИКНЕННЯ ЖИТІЯ НА ЗЕМЛІ

Мал. 201. Загальний вигляд протоклітини.

 ХІМІЧНА ЕВОЛЮЦІЯ І ВИНИКНЕННЯ ЖИТІЯ НА ЗЕМЛІ

Мал. 202. Таким чином прихильники панспермії уявляють занесення життя на Землю.

 ХІМІЧНА ЕВОЛЮЦІЯ І ВИНИКНЕННЯ ЖИТІЯ НА ЗЕМЛІ

Мал. 203. Тихоходка – тварина, найбільше пристосована до екстремальних умов існування.

Більшість біологів, котрі займаються питаннями еволюції, вважають, що походження життя на Землі є результатом передбіологічної (хімічної) еволюції. Цей процес відбувався на Землі перед виникненням життя й полягав у появі нових, дедалі складніших хімічних сполук. У наш час хімічна еволюція залишається дуже правдоподібною науковою гіпотезою, яка в міру розширення досліджень у цій царині знаходить дедалі більше підтверджень.




ХІМІЧНА ЕВОЛЮЦІЯ І ВИНИКНЕННЯ ЖИТІЯ НА ЗЕМЛІ