Профільний рівень 11 клас: ІСТОРИЧНИЙ РОЗВИТОК ОРГАНІЧНОГО СВІТУ, КОНЦЕПЦІЇ ПОХОДЖЕННЯ ЖИТТЯ:

Історія — це свідок часів, світло істини, пам’ять минулого, вчителька життя, вісник старовини…

Цицерон

Світоглядні та наукові погляди на походження та історичний розвиток життя на Землі.

Проблема походження життя та пізнання його суті здавна хвилювала не лише вчених, а й широкі верстви населення. З розвитком поглядів на навколишній світ, набуття багатьох наукових результатів досліджень та спостережень теорії виникнення життя на Землі поширилися, але їх залишається декілька й на сьогодні. Яка з теорій є достовірної, а чи має вона бути єдиною?

За даними космології усі планети і Земля в тому числі, були колись розпеченими тілами. Очевидно, у цей період на Землі не було і не могло бути життя, тому що однією умовою її існування є температура навколишнього середовища  – не вище + 50…+ 70 ^оС. Яким же чином на мертвій, абсолютно стерильній Землі виникло життя, з’явилися організми, здатні до розмноження і розвитку?

Виникнення життя на Землі — подія чи процес, що відбувся між 4,4 та 3,6 мільярди років тому та призвів до появи живих істот на планеті Земля та початку біологічної еволюції^. Механізми виникнення життя вивчаються на стику наук фізичної хімії,  молекулярної біології ін..

Наукові гіпотези походження життя мають два напрями:

• абі­огенез (живі істоти виникли з неживої матерії шляхом перетворень хімічних речовин, які існували на той час на Землі);
• біогенез (жи­ве — тільки від живого). 

Абі­огенез

Прихильники ідей абіогенного походження життя на нашій планеті:
1 - Арістотель; 2 - Парацельс (справжнє ім 'я Філіпп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм); 3 - Френсіс Бекон; 4-Ян Баптиста ван Гельмонт

Теорія самозародження життя (спонтанного зародження). Ця теорія була поширена в Стародавньому Китаї, Вавилоні та Єгипті як альтернатива креаціонізму, з яким вона співіснувала. 

Арістотель (384—322 до н. е.), якого часто називають засновником біології, дотримувався теорії спонтанного зародження, згідно з якою певні «частинки» речовини містять «активний початок», який за відповідних умов може створювати живий організм (життя виникло з неживої речовини). Арістотель мав рацію, вважаючи, що цей зародок міститься в заплідненому яйці, але помилково вважав, що він є в сонячному світлі, твані і гнилому м'ясі.

 З поширенням християнства теорія самозародження була не в пошані; її визнавали ті, хто вірив в чаклунство тощо Але ця ідея продовжувала існувати десь на задньому плані протягом ще багатьох віків. Ван Гельмонт (1577 1644), вельми знаменитий і вдалий вчений, описав експеримент, в якому він нібито створив за два тижні мишей. Для цього потрібні були брудна сорочка, темна шафа і жменя пшениці. Активним зародком він вважав людський піт.

Теорія самозародження була знехтувана дослідами Луї Пастера, який довів, що живе походить тільки від живого.

Луї Пастер (1822-1895) -видатний французький мікробіолог. Відкрив мікробіологічну суть процесів бродіння і збудників багатьох хвороб людини, став одним з основоположників таких наук, як мікробіологія та імунологія. Створив вакцину проти сибірки і розробив методику щеплення проти сказу. Його ім’я широко відоме завдяки створеній ним і названій пізніше на його честь технології пастеризації. Став першим директором Інституту мікробіології, заснованого в Парижі 1888 р. (згодом названий на його честь Інститутом Пастера).

Біогенез

Біогенні гіпотези грунтуються на поглядах про життя як унікальну особливу форму життя матерії, яке існує стільки же часу, як й Всесвіт. Дані гіпотези не містять в собі ніяких ідей стосовно пояснення виникнення життя на Землі, а говорят тільки про неземне його походження.

 Теорія творіння» — її прихильники стверджують, що всі види живих організмів були створені на зорі часу Богом і з тих пір зберігаються в незмінному вигляді. Це тлумачення походження життя прийнято християнською церквою, хоча у кожної релігії є своя точка зору на те, як і коли саме Бог ство­рив життя.

"Теорія вічності". Згідно з цією гіпотезою, життя у всесвіті іс­нує вічно і не має ні початку, ні кінця, але в кожний даний момент вона існує тільки на «планетах — притулках життя» (в даний час однією з таких планет-притулків є наша Земля).

Проте дослідження астрономів, фізиків, біологів в XX ст. яс­но показали, що в космічному просторі, пронизаному ультра­фіолетовим промінням і різними формами іонізуючої радіа­ції, перенесення і тривале існування найпростіших живих іс­тот неможливе.

Серед безлічі ненаукових уявлень про виникнення життя на Землі основні такі:

1.      життя було створене надприродною істотою в певний час (креаціонізм)

2.      життя існувало завжди (теорія стаціонарного стану)

3. життя занесене на нашу планету ззовні (панспермія)

4. життя виникло з неживої природи в результаті біохімічних процесів (теорія хімічної еволюції)

Детальніше:

1.                Основним положенням будь-якої креаціоністської теорії є поява життя внаслідок надзвичайної божественної події.

Креаціонізм вважає, що життя виникло внаслідок акту творіння, здійсненого вищою силою. Однак уяви про час цього акту творіння, а також про можливість і характер біологічної еволюції для різних напрямків креаціонізму є суттєво відмінними. Одні напрямки визнають біологічну еволюцію, інші вважають її можливою тільки у вузьких межах або повністю заперечують; одні визнають дані сучасної науки про вік Землі, небесних тіл і живих істот, інші наполягають на буквальному тлумаченні біблійної хронології або дотримуються компромісних поглядів.

2.                Згідно з теорією стаціонарного стану, Всесвіт існував вічно. Земля існувала завжди, і також завжди на ній існувало життя. Ця теорія припускає вимирання видів, але вважає, що нові види не утворюються. А відсутність решток існуючих видів у осадових породах давніх епох пояснюється незначною чисельністю цих видів у ті епохи.

3.                Теорія панспермії стверджує, що життя могло виникнути один або декілька разів (як варіант — існувало вічно) в різний час в різних частинах Галактики або Всесвіту, чи з'явилося на Землі внаслідок переносу з інших частин Всесвіту.  Але на Землі воно не виникало, а було занесене з допомогою метеоритів інших космічних об’єктів чи штучно інопланетянами.

Прихильники біогенних гіпотез походження життя на Землі:
1 - Лев Семенович Берг (1876-1950); 2 - Френсіс Крік (1916-2004)

Для обґрунтування цієї теорії використовуються багаторазові появи НЛО, наскельні зображення предметів, схожих на ракети і «космонавтів», а також повідомлення про нібито зустрічі з інопланетянами. Радянські і американські дослідження в космосі дозволяють вважати, що імовірність виявлення життя в межах Сонячної системи нікчемна, однак вони не подають ніяких відомостей про можливе життя поза цією системою. При вивченні матеріалів метеоритів і комет в них були виявлено різноманітні «попередники живого» — такі речовини, як ціаногени, синильна кислота і органічні сполуки, що можливо зіграли роль «насіння», що падало на голу Землю. З'явився ряд повідомлень про знаходження в метеоритах об'єктів, що нагадують примітивні форми життя, однак докази на користь їх біологічної природи поки не здаються вченим переконливими. Також деякі прихильники теорії панспермії вважають, що життя занесене інопланетянами заради експерименту. І що зараз іноземні істоти спостерігають за життям і розвитком людства.

Більшість спеціалістів у галузі схиляється до абіогенезу на Землі, проте панспермія має своїх прихильників (зокрема таких відомих як Френсіс Крік, Фред Хойл Володимир Вернадський

Вернадський Володимир Іванович (1863-1945): видатний український учений, створив вчення про біосферу та ноосферу, засновник нової науки - біогеохімії, яка вивчає діяльність різних груп організмів з перетворення оболонок нашої планети. Один із засновників Української академії наук (нині - Національна академія наук України) та перший її президент. Засновник Національної бібліотеки України (яка носить його ім’я 

4.                Найбільш обґрунтованими в наш час є теорії, які пояснюють виникнення життя шляхом хімічної еволюції з неорганічних речовин. Існує кілька варіантів цих гіпотез:

  Одна з найсучасніших гіпотез абіогенезу, що користується найбільшою популярністю, це гіпотеза російського академіка А. І. Опаріна (1924) і американського ученого Дж. Холдейна (1929).

Олександр Іванович Опарін — радянський біолог та біохімік, який створив теорію виникнення життя на Землі з абіотичних компонентів; академік АН СРСР.

 

Холдейн Джон Скотт

Згідно з теорією О. І. Опаріна і Д. Холдейна, процес виникнення життя на Землі пройшов кілька етапів.

Етапи виникнення життя на Землі

Етап	Процеси, які відбувалися
Перший	Формування вуглеводних сполук та їхніх похідних: атоми Карбону з’єднувалися між собою й утворювали ланцюги різної довжини. Це початкові ланки в еволюційній низці більш складних органічних сполук, до якої входять жири, прості вуглеводні й амінокислоти. Найпростіший представник вуглеводнів — метан. Первинна літосфера, гідросфера й атмосфера були буквально насичені вуглеводнями. Умови, які існували на Землі в той час: сильні теплові й радіоактивні процеси, ультрафіолетові випромінювання та інші,— спричиняли їхні ускладнення. Основні процеси першого етапу — синтез із неорганічних попередників і накопичення органічних речовин
Другий	Первинну атмосферу, яка складалася, головним чином, з амоніаку, метану, водню, вуглекислого газу та водяної пари (у ній не було кисню), пронизували велетенські блискавки. Під дією цих сильних електричних розрядів із суміші газів стали утворюватись амінокислоти. Разом зі зливними потоками амінокислоти потрапляли на Землю до первородного океану, яким була покрита майже вся молода планета. Після цього амінокислоти взаємодіяли між собою й утворювали білки. Аналогічно утворювалися й інші біополімери
Третій	Виникнення передклітинних структур із поліпептидів і полінуклеотидів. Важливу роль у цьому процесі відігравали коагу­ляти (згустки в колоїдних розчинах), або, як їх іще називають, коацервати. Вони здатні поглинати з навколишнього середовища й накопичувати хімічні сполуки. Усередині них може здійснюватися синтез нових сполук. Від механічних пошкоджень або після накопичення певної маси вони роздроблюються. Усе це могло слугувати «прообразом» процесів обміну речовин, росту, розмноження, наслідком чого було формування перших живих організмів

Гіпотетичні умови для створення життя на Землі
II. Дослід Опаріна-Холдейна: 1 - електроди; 2 - суміш газів (СН4, NH3, Н2, H2O); З - конденсор; 4 - підігрів води; 5 - дрібні органічні молекули

1953 р. американський хімік С. Міллер провів експеримент, котрий, як вважалося тоді, вирішував питання про те, яким чином виникло життя на Землі. У герметичному скляному приладі вчений відтворив умови, які були характерні для первісної планети. Через газову суміш, яка вміщувала метан, амоніак і водень, Міллер пропускав електричні розряди, а воду на дні приладу нагрівав, імітуючи стародавній океан. Через кілька днів дослідник виявив у колбі наявність амінокислот. Експерименти Міллера довели можливість абіогенного (небіологічного) синтезу важливих для життя молекул.

Передбачається, що перші живі організми Землі могли бути гетеротрофами, тому що їм були доступні готові органічні молекули, які утворюються шляхом хімічного синтезу в первинному середовищі їхнього існування. З появою хемо- й фотосинтезу в атмосфері Землі з’явився і став накопичуватися кисень, після чого почав формуватись «озоновий екран».

Яка молекула була першою — білок чи нуклеїнова кислота? Суперечка біохіміків, еволюціоністів та інших учених навколо цієї проблеми нагадує знайому дискусію: «Що було раніше — курка чи яйце?» Як відомо, білок не може бути синтезований у живій клітині з амінокислот без контролю з боку нуклеїнових кислот, які несуть інформацію про структуру всіх білків певного виду. Разом з тим, нуклеїнові кислоти можуть реплікуватися («розмножуватися») лише за наявності білків-ферментів (полімераз, лігаз).

1989 р. американські біохіміки Т. Чек і С. Альтман знайшли певний клас РНК, здатних до самокаталізу своєї реплікації (аутосплайсинг). Таким чином, певні види РНК можуть виконувати подвійну функцію — генну (точніше, його копії) та каталізатора подвоєння цього гена, тобто бути і «яйцем» і «куркою» одночасно. Згідно з цими фактами виникли гіпотези, наприклад У. Гілберта (СІЛА), що перші земні організми складались із простих молекул РНК, які самовідтворювались. Поступово такі організми набули здатності синтезувати білки (поява яких забезпечила швидкий та ефективний рух реплікації), і ліпіди (жири), що формують разом із білками мембрану, допомогли виникнути клітинним структурам.

Сідні Олтмен (Альтман; 1939 р.н. Монреаль, Канада) - американський молекулярний біолог канадскього походження, лауреат Нобелівської премії з хімії 1989 року, яку він розділив з Томасом Чеком. Професор Єльського університету. Сідні Олтмен отримав ступінь бакалавра з фізики в Массачусетському технологічному інституті в 1960 році, в 1967 році захистив дисертацію в Університеті Колорадо. У 1984 році отримав громадянство США.

Сідні Олтмен народився в Монреалі, другим сином в сім'ї єврейських іммігрантів зі Східної Європи. Його батько, колгоспник з українського селища Чорний Острів Віктор Альтман, після еміграції з Радянського Союзу в 1934 працював  на фермі, а після одруження відкрив овочеву лавку в Монреалі. Мати, Рей Арлін, перебралася до Канади у віці вісімнадцяти років з Білостока в 1935 році і працювала на ткацькій фабриці.

Деякі вчені (А. Ребек, Л. Оргел та ін.) дотримуються думки, що первинно існували гібридні молекули, які виявляли властивості і білків, і нуклеїнових кислот. Такі молекули теж були одержані в біохімічних лабораторіях.

Оригінальну точку зору висловив німецький дослідник Г. Вехтершойзер. На його думку, спочатку життя з’явилось як певна послідовність перетворень органічних сполук, що адсорбовані на кристалах піриту FeS₂. Принципово новим у цій гіпотезі є те, що утворення та перетворення біомолекул здійснюється на межі твердої та рідкої фаз (гетерофазне середовище), а не в рідко-фазному «первинному бульйоні».