Питання походження життя на планеті хвилює уми вчених не одну сотню років, проте єдиної гіпотези досі немає. В рамках загальноосвітнього курсу школярам треба познайомитися з гіпотезою Опаріна-Холдейна, яка пояснює виникнення живого шляхом біохімічної революції.
У даного підходу є як плюси, так і мінуси, проте він цілком логічний і дозволяє розібратися в ряді найважливіших питань.
Основні положення
Гіпотеза Опаріна про походження життя на Землі базується на ряді найважливіших принципів. Життя на планеті, згідно з поглядами вітчизняного вченого, зароджувалася в три етапи. Спочатку виникли органічні сполуки як такі. Далі відбулося утворення білків, полісахаридів і ліпідів, тобто полімерних сполук. Нарешті, процес завершився появою примітивних, але вже здатних до відтворення, живих організмів.
Сутність процесу:
- На формування складних сполук вплинула атмосфера Землі, позбавлена кисню, а також розряди блискавок і УФ-промені сонця.
- Органічні речовини стали основою появи біополімерів, які, в свою чергу, використовувалися для утворення примітивних форм життя (пробіонтів).
- Коли в пробіонтах з’явилися нуклеїнові кислоти, вони отримали можливість передавати спадкову інформацію і ускладнюватися в наступних поколіннях.
- Результат природного відбору – вижити змогли лише ті організми, які виявилися здатними до відтворення.
Положення теорії цілком логічні і випливають одне з іншого. Однак важливо розуміти те, яка проблема не була вирішена гіпотезою Опаріна. Річ у тому, що пробіонти (або проклеткі, прообраз сучасних клітин) донині не вивчені досконально. Тому незрозуміло, що саме спонукало скупчення полімерів перейти від нежитлового стану до дихання, харчування і відтворення.
Історія та експерименти
Як і будь-яка інша теорія походження життя, гіпотеза Опаріна піддавалася критиці опонентів і формулювалася протягом тривалого часу. Перш за все, основні положення академік опублікував у праці «походження життя», в якому припустив, що розчинені в рідині біополімери під впливом зовнішніх умов виявляються здатними до утворення коацерватів або коацерватних крапель.
Вони являють собою осередок органічної речовини, відокремленого від зовнішнього середовища за допомогою мембрани і здатне підтримувати обмін з нею. Даний процес являє собою попередню стадію коагуляції-з’єднання найдрібніших частинок воєдино.
Цікаво, що незалежно від Опаріна даним питанням почав займатися Британський біолог Джон Холдейн, який також цікавився зародженням життя на Землі. Однак у поглядах двох дослідників можна відзначити різницю: Холдейн вважав, що в “первинному бульйоні” утворювалися не коацервати, а макромолекулярні речовини, також здатні до відтворення.
Таким чином, первинними речовинами були нуклеїнові кислоти, а не білки.
Подальша розробка
Наступний етап розвитку теорії – досліди та дослідження американського хіміка Стенлі Міллера, який зацікавився даним питанням ще в студентські роки. Йому вдалося відтворити штучне середовище і отримати з неживої матерії амінокислоти.
Суть експерименту:
- У колбах, пов’язаних між собою, були імітовані умови планети.
- Колби заповнили аміаком, воднем і монооксидом вуглецю — сумішшю газів, які становили атмосферу Землі раннього періоду.
- Частина системи становила кипляча вода, пари при цьому піддавалися впливу імітують блискавку розрядів електрики.
- Після охолодження пар накопичувався в нижній трубці у вигляді конденсату.
Через тиждень безперервного процесу в колбі вдалося виявити цукру, ліпіди і амінокислоти.
Однак експеримент Міллера досі критикується представниками наукового світу і не визнається доказом достовірності гіпотези Опаріна і Холдейна.
Відмінності поглядів і внесок у науку
Розглянувши основні положення теорії Опаріна, можна відзначити, що вони з Холдейном дійшли до подібних ідей незалежно один від одного. Однак в гіпотезах двох вчених є і деякі відмінності. Основне з них — різне уявлення про те, які саме початкові елементи стали джерелами зародження життя. Згідно з поглядами Опаріна, це були білки, Холдейн же вважав, що основну роль зіграли нуклеїнові кислоти.
Інша відмінність:
- Російський дослідник – творець теорії – був переконаний, що самозародження життя з неживої матерії, тобто аборигенне, було можливим виключно в умовах найдавнішої атмосфери.
- Холдейн вважав, що первинною була макромолекулярна система, здатна до самовідтворення, а не коацерватна система.
Внесок Опаріна в біологію вважається вагомим, коротко можна відзначити наступні положення. Перш за все — це серйозна та обґрунтована концепція зародження життя з «первинного бульйону». Крім того, вчений, діючи в непростих умовах російської дійсності 20-30 років минулого століття, вивчав розвиток життя.
Суть гіпотези
Коротко можна сформулювати основні постулати гіпотези двох авторів: живі організми з’явилися на планеті з неживої матерії, проте для цього процесу необхідні були умови, що панували на Землі мільярди років тому. Зараз представляється неможливим повністю відтворити цю картину, адже те, що творилося в атмосфері такої глибокої давнини, може бути висловлено лише на рівні припущень.
Особливості атмосфери тих років:
- Відсутність кисню (зараз його утворюють зелені рослини, які в той період, звичайно, не існували).
- Певний температурний режим – дуже жарко.
- Наявність джерел енергії.
- Обов’язкова наявність води.
Відповідно до теорії, можна виділити 5 етапів становлення і розвитку життя на планеті, які в наочній формі представлені в таблиці.
| Етап | Основні події |
| Перший – 6,5-3,5 млрд. років тому | Утворилася первинна атмосфера, що включає аміак, метан, водень, пари води, вуглекислий газ і окис вуглецю. |
| Другий | Поверхня планети охолоджується до температури + 100°C, відбувається утворення первинного океану за рахунок конденсації водяної пари. У воді розчиняються гази і мінеральні речовини. Все це супроводжується найсильнішими грозами. Удари блискавок і ультрафіолетові радіації стають причиною синтезу амінокислот, цукрів, азотистих сполук — простих органічних утворень. |
| Третій | Формування білків найпростішої структури, еоацерватів, жирів. |
| Четвертий — 3,5−3 млрд років назад | Поява протобіонтів, здатних до обміну речовин і самовідтворення. |
| П’ятий — 3 млрд років назад | Поява організмів з клітинною будовою (прокаріот-бактерій) |
Ідея про склад первинної атмосфери планети заснована на даних інших наук, а також аналізі оболонок інших планет Сонячної системи. Крім того, докази другої і третьої стадії вдалося отримати в ході численних експериментів по синтезуванню життя.
Розвиток і докази
Теорії походження життя на планеті прийнято поділяти на дві великі групи: біогенез — все живе походить від живого і абіогенез — жива матерія утворилася з неживої. Гіпотеза Опаріна-Холдейна відноситься до другого класу. В даний час сучасні дослідження дозволили дещо видозмінити і доповнити її.
Саме самовідтворення є основою передачі корисних якостей представникам нового покоління, тобто найважливішим складовим еволюції в цілому і природного відбору зокрема.
Виділяють також і додаткові джерела енергії, під впливом якого сформувалися перші живі організми. Крім розрядів блискавок і УФ-променів, до них відносять:
- природна радіоактивність;
- вулканічні виверження;
- сонячний вітер.
Все це допомогло утворенню хімічних зв’язків. Змінилися і уявлення вчених про склад атмосфери раннього періоду, оскільки з’явилися нові об’єктивні дані. Зокрема, вдалося встановити, що концентрація вуглекислого газу була набагато меншою, ніж вважали автори гіпотези.
Атмосфера планети дуже нагадувала ту, яка зараз спостерігається у Марса і Венери: складалася в основному з вуглекислого газу і азоту, інші ж гази містилися в ній в досить малій концентрації. Нові дані змусили повторити експеримент Міллера, проте в його системі зазначені речовини не спричинили за собою появи органіки.
На зміну їй прийшли гіпотеза “первинної піци” (відповідно до якої живі організми з’явилися на мінеральних підкладках при періодичному висиханні останніх) і “первинного майонезу” (висунути її вирішив Гарольд Моровіц, суть: клітинні мембрани, а точніше, їх примітивні аналоги, існували до того, як з’явилася здатність до самовідтворення).
Крім того, вдалося виявити певні властивості “первинного бульйону” , які роблять його невідповідним середовищем для зародження життя:
- У водному середовищі білки мають нестійкістю, тому великий ризик їх розпаду. На млявою планеті для утворення сполук амінокислот було потрібно позбавлення від води, з цією метою можна було використовувати лагуни, затоки, а також вулканічні райони.
- “Первинний бульйон” позбавлений кордонів, ось чому, незважаючи на наявність мембран, первинні амінокислоти «розтікалися», передаючи свої клітини сусіднім, що робило процес самовідтворення неможливим.
Вченим вдалося створити чітку концепцію, яка в подальшому стала основою для безлічі теорій аборигенного зародження життя, їх відправною точкою.
