Происхождение жизни

Происхождение жизни — это комплекс научных и философских вопросов, касающихся возникновения живых организмов из неживой материи (абиогенеза) на ранних этапах существования Земли. В современной науке не существует единой общепринятой теории, описывающей все детали этого процесса, однако имеется ряд гипотез и экспериментальных данных, объясняющих отдельные этапы перехода от химических соединений к первым примитивным клеткам.

История изучения вопроса

Донаучные представления

Долгое время господствовала концепция самозарождения — вера в то, что живые организмы могут спонтанно возникать из неживой материи (например, черви из грязи, мыши из тряпья). Эта идея восходит к античным философам (Аристотель, IV век до н. э.) и продержалась в науке до XVII века. Эксперименты Франческо Реди (1668 год), показавшие, что мухи не появляются в закрытых сосудах с мясом, нанесли по ней первый удар. Окончательно концепцию самозарождения опроверг Луи Пастер в 1861 году, доказав, что в стерилизованном бульоне микроорганизмы не возникают при отсутствии доступа воздуха.

Теория биохимической эволюции

В 1924 году советский биохимик Александр Опарин опубликовал гипотезу о возникновении жизни в «первичном бульоне» — водной среде ранней Земли, насыщенной органическими соединениями. Он предположил, что в условиях восстановительной атмосферы (метан, аммиак, водород, водяной пар) под действием ультрафиолета и электрических разрядов могли синтезироваться аминокислоты, сахара и нуклеотиды. Эти вещества, накапливаясь в океане, образовывали коацерваты — капли, обладающие свойствами протоклеток. Независимо от Опарина аналогичную гипотезу в 1929 году выдвинул британский биолог Джон Холдейн.

Эксперимент Миллера — Юри

В 1953 году американские учёные Стэнли Миллер и Гарольд Юри провели знаменитый эксперимент, воссоздавший предполагаемые условия ранней Земли. Пропуская электрические разряды через смесь газов (метан, аммиак, водород, водяной пар), они получили несколько аминокислот (глицин, аланин, аспарагиновую кислоту) и другие органические соединения. Этот эксперимент подтвердил принципиальную возможность абиогенного синтеза органики, однако не дал ответа на вопрос о возникновении самовоспроизводящихся систем.

Основные гипотезы происхождения жизни

Гипотеза «первичного бульона» (коацерватная теория)

Согласно этой гипотезе, жизнь возникла в результате химической эволюции в водной среде. Органические молекулы, синтезированные в атмосфере или принесённые с метеоритами, накапливались в океане, образуя «первичный бульон». Затем из них формировались коацерваты — коллоидные капли, способные адсорбировать вещества и катализировать реакции. Внутри коацерватов могли возникать примитивные метаболические циклы, а включение нуклеиновых кислот (РНК) привело к появлению наследственности. Критики указывают на низкую концентрацию органики в океане и нестабильность коацерватов.

Гипотеза мира РНК

В 1980-х годах была выдвинута гипотеза, согласно которой первой молекулой, способной к самовоспроизведению и катализу, была РНК, а не ДНК или белки. РНК может выполнять обе функции: хранить генетическую информацию (как ДНК) и ускорять химические реакции (как ферменты). Рибозимы — молекулы РНК с каталитической активностью — были обнаружены в 1982 году (Томас Чек, Сидни Олтмен). В рамках этой гипотезы предполагается, что сначала возникли короткие цепочки РНК, способные к репликации, а затем они эволюционировали в более сложные системы, включающие белки и ДНК. Экспериментально показано, что РНК может синтезироваться абиогенно из нуклеотидов в присутствии глины и других минералов.

Гипотеза мира липидов

Альтернативная гипотеза, предложенная биохимиком Дэвидом Димером (США) в 1980-х годах, утверждает, что первыми структурами, способными к росту и делению, были липидные пузырьки — протоклетки. Липиды, образующиеся абиогенно, самопроизвольно формируют в воде мембраны. Такие пузырьки могут захватывать органические молекулы из окружающей среды, поддерживать градиент pH и делитьcя при механическом воздействии. Внутри них могли протекать примитивные метаболические реакции. Эта гипотеза объясняет возникновение клеточной мембраны, но не решает проблему наследственности.

Гипотеза панспермии

Панспермия предполагает, что жизнь не возникла на Земле, а была занесена из космоса — с метеоритами, кометами или космической пылью. Впервые идею высказал древнегреческий философ Анаксагор (V век до н. э.), а в XIX веке её развили шведский химик Сванте Аррениус и российский биолог Владимир Вернадский. В 1996 году в метеорите ALH84001, найденном в Антарктиде и имеющем марсианское происхождение, были обнаружены структуры, напоминающие окаменелости бактерий (гипотеза не подтверждена). Панспермия не объясняет происхождение жизни как таковое, а лишь переносит проблему на другие планеты или звёздные системы.

Гипотеза гидротермальных источников

В 1977 году были открыты глубоководные гидротермальные источники («чёрные курильщики»), где в условиях высокого давления и температуры (до 400 °C) существует богатая экосистема хемосинтезирующих бактерий. Гипотеза предполагает, что жизнь могла возникнуть в таких источниках, где имеются градиенты температуры, pH и концентрации минералов, создающие условия для синтеза органических молекул и формирования протоклеток. Эксперименты показывают, что в симуляторах гидротермальных источников могут образовываться аминокислоты и нуклеотиды.

Современное состояние проблемы

Экспериментальные достижения

В XXI веке учёные добились значительных успехов в моделировании отдельных этапов абиогенеза. В 2009 году группа Джона Сазерленда (Великобритания) синтезировала нуклеотиды из простых предшественников (цианамид, гликольальдегид, фосфат) в условиях, приближенных к раннеземным. В 2016 году исследователи из Гарвардского университета (США) создали искусственную протоклетку, способную к росту и делению, на основе жирных кислот и РНК. В 2021 году в Институте молекулярной биологии РАН (Россия) были получены рибозимы, катализирующие синтез пептидных связей.

Неразрешённые вопросы

Несмотря на прогресс, остаются нерешёнными ключевые проблемы:

• Переход от химической эволюции к биологической: как неживые молекулы объединились в самовоспроизводящуюся систему?
• Происхождение генетического кода: почему триплеты нуклеотидов кодируют определённые аминокислоты?
• Гомохиральность: почему в живых организмах используются только L-аминокислоты и D-сахара?
• Временные рамки: как жизнь могла возникнуть за относительно короткий период (первые 500–700 миллионов лет существования Земли)?

Критика и альтернативные подходы

Креационизм и разумный замысел

Религиозные концепции (креационизм) утверждают, что жизнь была создана сверхъестественным существом. В научной среде эти идеи не рассматриваются как научные гипотезы, так как не поддаются проверке и не могут быть опровергнуты. В Российской Федерации креационизм не является частью школьной программы по биологии.

Гипотеза «мира полимеров»

Некоторые исследователи (например, Грэм Кэрнс-Смит, Великобритания) предлагают, что первыми репликаторами были не органические молекулы, а неорганические кристаллы (например, глинистые минералы), которые могли «размножаться» и передавать дефекты структуры. Затем на их поверхности происходила сборка органических полимеров.

Интересные факты

• В 1969 году в Австралии упал метеорит Мерчисон, в котором было обнаружено более 100 различных аминокислот, включая несколько, не встречающихся в земных белках.
• В 2015 году в Университете штата Аризона (США) была создана компьютерная модель, показавшая, что самовоспроизводящаяся РНК могла возникнуть в результате случайных комбинаций нуклеотидов за 10–100 миллионов лет.
• Самые древние следы жизни на Земле — строматолиты (ископаемые бактериальные маты) — датируются возрастом 3,5 миллиарда лет (формация Варравуна, Австралия).

Источники

• Опарин А. И. «Происхождение жизни». — М.: Медгиз, 1924.
• Miller S. L. «A production of amino acids under possible primitive earth conditions» // Science, 1953, vol. 117, p. 528–529.
• Gilbert W. «The RNA world» // Nature, 1986, vol. 319, p. 618.
• Cech T. R. «Ribozymes and their medical implications» // Journal of Biological Chemistry, 1992, vol. 267, p. 17479–17482.
• Sutherland J. D. «The origin of life — out of the blue» // Angewandte Chemie International Edition, 2016, vol. 55, p. 104–121.
• Вернадский В. И. «Живое вещество». — М.: Наука, 1978.
• Калашникова Е. А. и др. «Рибозимы: структура, функции, перспективы применения» // Успехи биологической химии, 2021, т. 61, с. 5–34.