Elämä maapallolla ilmestyi yli 3,5 miljardia vuotta sitten - on vaikea määrittää hetkeä tarkemmin, jos vain siksi, että ei ole helppoa vetää rajaa “melkein elossa” ja “todella elossa” välillä. Voimme kuitenkin sanoa varmasti, että tämä maaginen hetki venyi monien pitkien miljoonien vuosien ajan. Silti se oli todellinen ihme.
Tämän ihmeen arvostamiseksi sen todellisessa arvossa on perehdyttävä joukko nykyaikaisia teorioita, jotka kuvaavat elämän syntymän eri vaihtoehtoja ja vaiheita. Reipasta, mutta elottomasta joukosta yksinkertaisia orgaanisia yhdisteitä proto-organismeihin, jotka ovat kuolleet ja joutuneet loputtomaan biologisen vaihtelun rotuun. Eikö nämä kaksi termiä - siirrettävyys ja kuolema - johda koko elämän summaan?..
1. Panspermia
Hypoteesilla elämän tuomisesta Maahan muista kosmisista elimistä on paljon arvovaltaista puolustajaa. Tätä kantaa pitivät saksalainen suuri tiedemies Hermann Helmholtz ja ruotsalainen kemisti Svante Arrhenius, venäläinen ajattelija Vladimir Vernadsky ja brittiläinen lordi fyysikko Kelvin. Tiede on kuitenkin tosiasioiden valtakunta, ja kosmisen säteilyn ja sen tuhoavan vaikutuksen havaitsemisen jälkeen kaikkiin eläviin asioihin panspermia näytti kuolevan.
Mutta mitä syvemmälle tutkijat syventyvät aiheeseen, sitä enemmän vivahteita ilmenee. Joten nyt - mukaan lukien lukuisten kokeilujen tekeminen avaruusaluksilla - otamme nyt paljon vakavammin elävien organismien kyvyn sietää säteilyä ja kylmää, veden puutetta ja muita ulkoilmassa olemisen "nautintoja". Kaikkien orgaanisten yhdisteiden löytöjä asteroideista ja komeetoista, kaukana olevista kaasu- ja pölyklustereista ja planeettojen pilvistä on lukuisia ja epäilemättä. Mutta väitteet siitä, että heissä on löydetty jälkiä jostakin epäilyttävästi muistuttavasta mikrobista, eivät ole todistettu.
On helppo nähdä, että panspermian teoria siirtää kaiken kiehtovansa vain kysymyksen elämän alkuperästä toiseen paikkaan ja toiseen aikaan. Mikä tahansa, joka toi ensimmäiset organismit maapallolle - oli se sitten satunnainen meteoriitti vai erittäin kehittyneiden muukalaisten ovela suunnitelma, niiden piti syntyä jonnekin ja jollain tavalla. Älä anna täällä ja paljon kauemmin menneisyydessä - mutta elämän piti kasvaa elämättömästä aineesta. Kysymys "Kuinka?" jäännökset.
Mainosvideo:
1. Ei-tieteellinen: spontaani sukupolvi
Hyvin kehittyneiden elollisten aineiden spontaani alkuperä elottomasta aineesta - kuten kärpäsen toukkien syntymä mätäneessä lihassa - voidaan yhdistää Aristoteleeseen, joka yleisti monien edeltäjien ajatukset ja muodosti kokonaisvaltaisen opin spontaanista sukupolvesta. Kuten muutkin Aristoteleen filosofian elementit, spontaani sukupolvi oli keskiaikaisen Euroopan hallitseva oppi ja nautti jonkin verran tukea Louis Pasteurin kokeisiin, jotka vakuuttavasti osoittivat, että jopa kärpäsen toukat tarvitsivat vanhemman perhoja ilmestyäkseen. Älä sekoita spontaania sukupolvea nykyaikaisiin teorioihin elämän abiogeenisestä alkuperästä: ero niiden välillä on perustavanlaatuinen.
2. Ensisijainen lieme
Tämä käsite liittyy läheisesti klassisiin kokeiluihin, jotka Stanley Miller ja Harold Urey olivat onnistuneet saavuttamaan 1950-luvun tilan. Laboratoriossa tutkijat mallitsivat olosuhteet, joita voisi olla lähellä nuoren maan pintaa - seos metaania, hiilimonoksidia ja molekyylivetyä, lukuisia sähköpurkauksia, ultraviolettivalo - ja pian yli 10% metaanin hiilestä muutettiin erilaisten orgaanisten molekyylien muotoon. Miller-Urey-kokeissa saatiin yli 20 aminohappoa, sokereita, lipidejä ja nukleiinihappoesiasteita.
Näiden klassisten kokeiden nykyaikaisissa muunnelmissa käytetään paljon hienostuneempia kokoonpanoja, jotka vastaavat paremmin varhaisen maan olosuhteita. He simuloivat tulivuorten vaikutuksia rikkivety- ja rikkidioksidipäästöillä, typen läsnäololla jne. Tällä tavoin tutkijat onnistuvat saamaan aikaan valtavan ja monimuotoisen määrän orgaanista ainetta - potentiaalisen elämän mahdollisia rakennuspalikoita. Näiden kokeiden pääongelma on edelleen rasemaatti: optisesti aktiivisten molekyylien (kuten aminohappojen) isomeerit muodostuvat seoksessa yhtä suurena määränä, kun taas kaikki meille tiedossa oleva elämä (muutama ja outo poikkeus) sisältää vain L-isomeerejä.
Palaamme kuitenkin tähän ongelmaan myöhemmin. Tähän on lisättävä myös, että äskettäin - vuonna 2015 - Cambridgen professori John Sutherland ja hänen tiiminsä osoittivat mahdollisuuden muodostaa kaikki perus "elämän molekyylit", DNA: n, RNA: n ja proteiinien komponentit hyvin yksinkertaisesta alkuperäisestä komponentista. Tämän seoksen päähahmot ovat syaanivety ja rikkivety, jotka eivät ole niin harvinaisia avaruudessa. Niille on vielä lisättävä joitain mineraaleja ja metalleja, joita on läsnä riittävästi maan päällä, kuten fosfaatteja, kupari- ja rautasuoloja. Tutkijat ovat rakentaneet yksityiskohtaisen reaktiokaavion, joka voisi hyvinkin luoda rikkaan "alkeiskeiton" polymeerien esiintymiselle siinä, ja täysimittainen kemiallinen kehitys tuli peliin.
Neuvostoliiton biokemisti Alexander Oparin esitti vuonna 1924 hypoteesin "orgaanisen liemen" elämän abiogeenisesta alkuperästä, joka testattiin Millerin ja Ureyn kokeilla. Ja vaikka Lysenkoismin kukoistuksen "pimeinä vuosina" tiedemies otti tieteellisen genetiikan vastustajien puolen, hänen ansioistaan on suuri. Tunnustuksena akateemikon roolista hänen nimensä on pääpalkinto, jonka kansainvälinen tiedeyhdistys on antanut elämän alkuperän tutkimiseksi (ISSOL) - Oparin-mitali. Palkinto jaetaan kuuden vuoden välein, ja se on jaettu eri aikoina sekä Stanley Millerille että suurelle kromosomitutkijalle, Nobel-palkinnon saajalle Jack Shostakille. Tunnustuksena Harold Ureyn valtavasta panoksesta ISSOL myöntää Urey-mitalin Oparin-mitalin välissä (myös kuuden vuoden välein). Tuloksena on ainutlaatuinen, todellinen evoluutiopalkinto - vaihdettavalla nimellä.
3. Kemiallinen kehitys
Teorian tarkoituksena on kuvata suhteellisen yksinkertaisten orgaanisten aineiden muuttumista melko monimutkaisiksi kemiallisiksi järjestelmiksi, itse elämän lähtöaineiksi ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta, valintamekanismeihin ja itseorganisoitumiseen. Tämän lähestymistavan peruskonsepti on "vesi-hiili-šovinismi", joka edustaa näitä kahta komponenttia (vesi ja hiili - NS) ehdottoman välttämättöminä ja avaina elämän syntymiselle ja kehittymiselle joko maapallolla tai muualla. Ja pääongelma on edelleen olosuhteet, joissa”vesi-hiili-šovinismi” voi kehittyä erittäin hienostuneiksi kemiallisiksi komplekseiksi, jotka kykenevät ensinnäkin itsetoimimaan.
Yhden hypoteesin mukaan molekyylien ensisijainen järjestäytyminen voi tapahtua savimineraalien mikrohuokoissa, joilla oli rakenteellinen rooli. Skotlantilainen kemisti Alexander Graham Cairns-Smith esitti tämän idean muutama vuosi sitten. Monimutkaiset biomolekyylit voivat asettua ja polymeroitua niiden sisäpinnalle kuten matriisissa: Israelin tutkijat ovat osoittaneet, että sellaiset olosuhteet mahdollistavat riittävän pitkien proteiiniketjujen kasvattamisen. Täällä voisi kerääntyä vaaditut määrät metallisuoloja, joilla on tärkeä rooli kemiallisten reaktioiden katalysaattoreina. Saviseinät voisivat toimia solumembraaneina, jakaa "sisäisen" tilan, jossa tapahtuu yhä monimutkaisempia kemiallisia reaktioita, ja erottamaan sen ulkoisesta kaaosta.
Kiteisten mineraalien pinnat voisivat toimia "matriiseina" polymeerimolekyylien kasvulle: niiden kidehilan spatiaalinen rakenne pystyy valitsemaan vain yhden tyyppisiä optisia isomeerejä - esimerkiksi L-aminohappoja - ratkaisemaan ongelman, josta puhumme edellä. Primaarisen "aineenvaihdunnan" energiaa voitaisiin saada epäorgaanisilla reaktioilla, kuten mineraalipyriitin (FeS2) pelkistämisellä vedyllä (rautasulfidiksi ja rikkivetyksi). Tässä tapauksessa ei salamaa eikä ultraviolettisäteilyä vaadita monimutkaisten biomolekyylien esiintymiseksi, kuten Miller-Urey-kokeissa. Tämä tarkoittaa, että voimme päästä eroon heidän toiminnan haitallisista puolista.
Nuorta maata ei ollut suojattu aurinkosäteilyn haitallisilta - ja jopa tappavilta - komponenteilta. Jopa nykyaikaiset, evoluutiossa testatut organismit eivät pystyisi kestämään tätä ankaraa ultraviolettisäteilyä - huolimatta siitä, että aurinko itse oli paljon nuorempi eikä antanut tarpeeksi lämpöä planeetalle. Tästä syntyi hypoteesi, jonka mukaan aikakaudella, jolloin elämän alku ihme tapahtui, koko maapallo voitiin peittää paksulla jääkerroksella - satoja metrejä; ja se on parasta. Piilotettuna tämän jäälehden alle, elämä voi tuntea olonsa täysin turvassa ultraviolettisäteilyltä ja säännöllisiltä meteoriittien iskuilta, jotka uhkasivat tuhota sen alkuunsa. Suhteellisen viileä ympäristö voisi myös vakauttaa ensimmäisten makromolekyylien rakenteen.
4. Mustat tupakoitsijat
Itse asiassa ultraviolettivalonsäteilyn nuorella maapallolla, jonka ilmakehä ei vielä sisältänyt happea ja jolla ei ollut niin upeaa asiaa kuin otsonikerros, olisi pitänyt olla tappava kaikelle syntyvälle elämälle. Tästä syntyi oletus, että elävien organismien hauraat esi-isät pakotettiin olemassa jonnekin, piiloutuen kaiken jatkuvasta steriloivien säteiden virrasta. Esimerkiksi syvällä veden alla - tietysti siellä, missä on tarpeeksi mineraaleja, sekoitusta, lämpöä ja energiaa kemiallisiin reaktioihin. Ja sellaisia paikkoja löytyi.
2000-luvun loppua kohden kävi selväksi, että merenpohja ei mitenkään voinut olla paratiisi keskiaikaisille hirviöille: olosuhteet ovat liian ankarat, lämpötila on matala, säteilyä ei esiinny ja harvinaiset orgaaniset aineet voivat asettua vain pinnalta. Itse asiassa nämä ovat kaikkein laajimmat puoliväylät - joitain merkittäviä poikkeuksia lukuun ottamatta: aivan siellä, syvällä veden alla, lähellä geotermisten lähteiden aukkoja, elämä on kirjaimellisesti täydessä vauhdissa. Sulfideilla kyllästetty musta vesi on kuuma, sekoitettu aktiivisesti ja sisältää paljon mineraaleja.
Mustameren tupakoitsijat ovat erittäin rikkaita ja erottuvia ekosysteemejä: heitä ruokittavat bakteerit käyttävät rauta-rikkireaktioita, joista olemme jo keskustelleet. Ne ovat perusta täysin kukkivalle elämälle, mukaan lukien joukko ainutlaatuisia matoja ja katkarapuja. Ehkä ne olivat perusta planeetan elämän alkuperälle: ainakin teoriassa sellaisissa järjestelmissä on kaikki tähän tarvittava.
2. Ei-tieteellinen: väkevät alkoholijuomat, jumalat, esi-isät
Mahdollisia kosmologisia myyttejä maailman alkuperästä kruunutetaan aina antropogonisilla - ihmisen alkuperästä. Ja näissä fantasioissa voi vain kateuttaa muinaisten kirjoittajien mielikuvitusta: kysymyksessä mitä, miten ja miksi kosmos syntyi, missä ja miten elämä - ja ihmiset - ilmestyivät, versiot kuulostivat hyvin erilaisilta ja melkein aina kauniilta. Kasvit, kalat ja eläimet pyydettiin merenpohjasta valtavan korvan avulla. Ihmiset ryöivät ulos esi-isä Pangu-kehosta, kun savista ja tuhkasta valetut madot syntyivät jumalten ja hirviöiden avioliittoista. Kaikki tämä on yllättävän runollista, mutta sillä ei tietenkään ole mitään tekemistä tieteen kanssa.
5. RNA: n maailma
Dialektisen materialismin periaatteiden mukaisesti elämä on kahden periaatteen "yhtenäisyys ja kamppailu": toisaalta muuttuva ja peritty tieto ja toisaalta biokemialliset rakenteelliset toiminnot. Yksi on mahdoton ilman toista - ja kysymys siitä, mistä elämä alkoi, informaation ja nukleiinihappojen tai toimintojen ja proteiinien kanssa, on edelleen yksi vaikeimmista. Ja yksi tunnettuista ratkaisuista tähän paradoksaaliseen ongelmaan on RNA-maailman hypoteesi, joka ilmestyi 1960-luvun lopulla ja lopulta muotoutui 1980-luvun lopulla.
RNA - makromolekyylit, tiedon tallentamisessa ja siirtämisessä eivät ole yhtä tehokkaita kuin DNA, ja entsymaattisten toimintojen suorittamisessa - eivät niin vaikuttavia kuin proteiinit. Mutta RNA-molekyylit kykenevät molempiin, ja toistaiseksi ne toimivat siirtolinkinä solun tiedonvaihdossa ja katalysoivat useita reaktioita siinä. Proteiinit eivät kykene replikoitumaan ilman DNA-tietoja, ja DNA ei kykene tähän ilman proteiinin "taitoja". RNA, toisaalta, voi olla täysin autonominen: se pystyy katalysoimaan omaa "lisääntymistään" - ja tämä riittää alkuun.
RNA-maailman hypoteesin puitteissa tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että nämä makromolekyylit kykenevät täysimittaiseen kemialliseen evoluutioon. Otetaan esimerkiksi havainnollistava esimerkki, jonka ovat kuvanneet Kalifornian biofyysikot, jota johtaa Lesley Orgel: jos etidiumbromidia lisätään itsestään replikoitumaan kykenevään RNA-liuokseen, joka toimii tämän järjestelmän myrkkynä, estää RNA-synteesiä sitten vähitellen muuttuessa makromolekyylien sukupolvien kanssa seoksessa Näyttää RNA: t, jotka kestävät jopa erittäin suuria toksiinipitoisuuksia. Jotain tällaista, kehittyvät, ensimmäiset RNA-molekyylit voisivat löytää tavan syntetisoida ensimmäiset työkalut-proteiinit, ja sitten - yhdessä niiden kanssa - "löytää" itselleen DNA: n kaksoiskierre, perinnöllisen tiedon ihanteellinen kantaja.
3. Ei-tieteellinen: muuttumattomuus
Enemmän tieteellisiä kuin ensimmäisten esi-isien tarinoita ei voida kutsua näkemyksiin, joissa on paikallaan olleen valtion teorian äänekäs nimi. Hänen kannattajiensa mukaan mitään elämää ei ole koskaan syntynyt - samoin kuin maapalloa ei syntynyt eikä kosmoksia ilmestynyt: he yksinkertaisesti olivat aina, aina ja pysyvät. Kaikki tämä ei ole perustellumpaa kuin Pangu-madot: Jotta tällainen "teoria" voitaisiin ottaa vakavasti, on unohdettava lukemattomat paleontologian, geologian ja tähtitieteen havainnot. Ja itse asiassa, hylätä koko nykyaikaisen tieteen grandioosinen rakennus - mutta sitten on todennäköisesti syytä luopua kaikesta, mikä johtuu sen asukkaista, mukaan lukien tietokoneet ja kivuton hammashoito.
6. Protosolut
Pelkkä toisinnus ei kuitenkaan riitä "normaaliin elämään": mikä tahansa elämä on ensinnäkin paikallaan eristettyä ympäristöä, joka erottaa metaboliset prosessit, helpottaa joidenkin reaktioiden kulkua ja sallii muiden sulkemisen. Toisin sanoen elämä on solu, jota rajoittaa puoliläpäisevä kalvo, joka koostuu lipideistä. Ja "protokenelien" olisi pitänyt esiintyä jo maapallon elämän olemassaolon varhaisissa vaiheissa - ensimmäinen hypoteesi heidän alkuperästään ilmaisi Alexander Oparin, joka on meille hyvin tunnettu. Hänen mukaansa hydrofobisten lipidien pisarat, jotka muistuttavat vedessä kelluvia keltaisia öljypisarat, voisivat toimia "protemembraaneina".
Yleisesti ottaen moderni tiede hyväksyy tiedemiehen ideat, ja tähän aiheeseen osallistui myös Jack Shostak, joka sai työstään Oparin-mitalin. Yhdessä Katarzyna Adamalan kanssa hän onnistui luomaan eräänlaisen mallin "protosolusta", jonka kalvon analogia koostui ei nykyaikaisista lipideistä, vaan vieläkin yksinkertaisemmista orgaanisista molekyyleistä, rasvahapoista, jotka olisivat voineet kertyä ensimmäisten proto-organismien lähtöpaikoille. Shostak ja Adamala onnistuivat jopa "elvyttämään" rakenteensa lisäämällä väliaineeseen magnesiumioneja (stimuloimalla RNA-polymeraasien toimintaa) ja sitruunahappoa (vakauttaen rasvakalvojen rakennetta).
Seurauksena oli, että he päätyivät täysin yksinkertaiseen, mutta jonkin verran elävään järjestelmään; joka tapauksessa se oli normaali alkukenno, joka sisälsi kalvosuojatun ympäristön RNA-lisääntymiseen. Tästä hetkestä lähtien voit sulkea elämän esihistorian viimeisen luvun - ja aloittaa sen historian ensimmäiset luvut. Tämä on kuitenkin täysin erilainen aihe, joten puhumme vain yhdestä, mutta erittäin tärkeästä käsitteestä, joka liittyy elämän evoluution ensimmäisiin vaiheisiin ja valtavan määrän organismien syntyyn.
4. Ei-tieteellinen: iankaikkinen paluu
Intialaisen filosofian "yritys" esitys länsimaisessa filosofiassa, joka liittyy Immanuel Kantin, Friedrich Nietzschen ja Mircea Eliaden teoksiin. Runollinen kuva jokaisen elävän sielun iankaikkisesta vaelluksesta äärettömän joukon maailmojen ja niiden asukkaiden kautta, sen muuttumisesta merkityksettömäksi hyönteiseksi, sitten korotetuksi runoilijaksi tai jopa meille tuntemattomaksi olemukseksi, demoniksi tai jumalaksi. Huolimatta reinkarnaation ideoiden puutteesta, Nietzsche on todella lähellä tätä ajatusta: ikuisuus on ikuinen, mikä tarkoittaa, että mikä tahansa tapahtuma siinä voi - ja se tulisi toistaa uudelleen. Ja jokainen olento pyörii loputtomasti tällä yleismaailmallisen paluun karusellissa, niin että vain pää pyörii, ja itse alkuperäisen ongelman ongelma katoaa jonkin verran lukemattomien toistojen kaleidoskooppiin.
7. Endosymbioosi
Katsokaa itseäsi peilistä, silmäsi silmiin: olento, jonka kanssa katsotte toisiaan, on monimutkainen hybridi, joka on syntynyt muinaisina aikoina. Saksalais-englantilainen luonnontieteilijä Andreas Schimper huomasi jo 1800-luvun lopulla, että kloroplastit, fotosynteesistä vastaavat kasvisolujen organelit, replikoituvat erillään solusta. Pian oli hypoteesi, että kloroplasti on symbionttia, fotosynteettisten bakteerien soluja, kun isäntä nielaisee sen - ja jätetään asumaan täällä ikuisesti.
Tietysti meillä ei ole kloroplasteja, muuten voisimme syödä auringonvalossa, kuten jotkut pseudo-uskonnolliset lahkojen mukaan ovat. Kuitenkin 1920-luvulla endosymbioosipoteesi laajennettiin kattamaan mitokondriat, organelit, jotka kuluttavat happea ja toimittavat energiaa kaikille soluillemme. Tähän mennessä tämä hypoteesi on saavuttanut täysivaltaisen, toistuvasti todistetun teorian aseman - riittää, kun sanotaan, että mitokondrioilla ja plastideilla on oma genomi, enemmän tai vähemmän solunjakautumismekanismit ja omat proteiinisynteesijärjestelmät.
Luonnossa on löydetty myös muita endosymbionteja, joiden takana ei ole miljardeja vuosia yhteistä kehitystä ja jotka ovat vähemmän syvällä integraatiotasolla solussa. Esimerkiksi joillakin ammoeboilla ei ole omia mitokondrioita, mutta sisällä on bakteereja, jotka suorittavat tehtävänsä. Muiden organelien - mukaan lukien flagellat ja siliat ja jopa solun ydin - endosymbioottisesta alkuperästä on hypoteeseja: joidenkin tutkijoiden mukaan me kaikki eukaryootit ovat ennennäkemättömän fuusion seurausta bakteereista ja archaeasta. Nämä versiot eivät ole vielä löytäneet tiukkaa vahvistusta, mutta yksi asia on selvä: heti kun se ilmestyi, elämä alkoi imeytyä naapureihinsa - ja olla vuorovaikutuksessa heidän kanssaan, synnyttäen uuden elämän.
5. Ei-tieteellinen: kreationismi
Aivan kreationismin käsite syntyi 1800-luvulla, jolloin tätä sanaa kutsuttiin maailman ja elämän ilmestymisen eri versioiden kannattajiksi, jotka olivat Tooran, Raamatun ja muiden monoteististen uskontojen pyhien kirjojen kirjoittajien ehdottamia. Pohjimmiltaan kreationistit eivät tarjonneet mitään uutta verrattuna näihin kirjoihin yrittäen yhä uudestaan ja toistaiseksi kumota tieteen tiukkoja ja perusteellisia havaintoja - ja tosiasiassa, yhä uudelleen ja uudelleen, menettäen yhden aseman toisensa jälkeen. Valitettavasti nykyaikaisten pseudotieteilijöiden-kreationistien ideat on paljon helpompi ymmärtää: todellisen tieteen teorioiden ymmärtäminen vie paljon vaivaa.
Sergei Vasiliev