АБІОГЕНЕЗ: ОСНОВНІ ТЕОРІЇ - БІОЛОГІЯ - 2025

Під абіогенезом йдеться про кількість процесів і етапів, які зароджували перші форми життя на землі, інертні мономерні пускові блоки, з плином часу змогли збільшити їх складність. У світлі цієї теорії життя виникла з неживих молекул за відповідних умов.

Ймовірно, що після абіогенезу вироблені прості життєві системи, біологічна еволюція діяла, щоб породити всі складні життєві форми, які існують сьогодні.

Джерело: pixabay.com

Деякі дослідники вважають, що процеси абіогенезу повинні відбуватися хоча б один раз в історії Землі, щоб породжувати гіпотетичний організм LUCA або останнього загального загального предка (від абревіатури англійською мовою, останнього загального загального предка), близько 4 мільярдів тому років.

Висловлюється думка, що LUCA, мабуть, мав генетичний код на основі молекули ДНК, яка зі своїми чотирма основами, згрупованими в триплети, кодувала 20 типів амінокислот, що складають білки. Дослідники, які намагаються зрозуміти походження життя, вивчають процеси абіогенезу, що спричинили виникнення LUCA.

Відповідь на це питання широко сумнівається і часто оповита смугою таємничості та невизначеності. З цієї причини сотні біологів запропонували низку теорій, що варіюються від появи первинного супу до пояснень, пов’язаних з ксенобіологією та астробіологією.

З чого він складається?

Теорія абіогенезу ґрунтується на хімічному процесі, за допомогою якого з безживих попередників вийшли найпростіші форми життя.

Передбачається, що процес абіогенезу відбувався постійно, на відміну від погляду виникнення різко у вдалій події. Таким чином, ця теорія передбачає існування континууму між неживою речовиною та першими живими системами.

Так само пропонується ряд різноманітних сценаріїв, де початок життя може відбуватися з неорганічних молекул. Ці середовища, як правило, екстремальні та відрізняються від сучасних умов на землі.

Ці передбачувані пребіотичні умови часто відтворюються в лабораторії для того, щоб спробувати генерувати органічні молекули, як відомий експеримент Міллера та Урея.

Походження життя: теорії

Походження життя було однією з найбільш суперечливих тем для вчених та філософів ще з часів Арістотеля. На думку цього важливого мислителя, розкладається речовина могло б перетворитися на живих тварин завдяки стихійній дії природи.

Абіогенез у світлі арістотелівської думки можна узагальнити в його знаменитій фразі omne vivum ex vivo, що означає "все життя виходить із життя".

Згодом досить велика кількість моделей, теорій та спекуляцій намагалася з’ясувати умови та процеси, що призвели до виникнення життя.

Найвидатніші теорії, як з історичної, так і з наукової точки зору, які прагнули пояснити походження перших живих систем, будуть описані нижче:

Теорія спонтанного покоління

На початку 17 століття було постуліровано, що життєві форми можуть виникнути з безжиттєвих стихій. Теорія мимовільного покоління була широко прийнята мислителями того часу, оскільки вона мала підтримку католицької церкви. Таким чином, живі істоти могли проростати як від батьків, так і з неживої матерії.

Серед найвідоміших прикладів, які використовуються для підтримки цієї теорії, - поява черв’яків та інших комах у гнилому м’ясі, жаб, що з’явилися з грязі, та мишей, що вийшли із брудного одягу та поту.

Насправді були рецепти, які обіцяли створення живих тварин. Наприклад, щоб створити мишей з неживої речовини, зерна пшениці доводилося поєднувати з брудним одягом у темному середовищі, а протягом доби з’являються живі гризуни.

Прихильники цієї суміші стверджували, що людський піт на одязі та бродіння пшениці були провідними агентами формування життєдіяльності.

Спростування спонтанного покоління

У XVII столітті недоліки та прогалини почали помічатись у твердженнях теорії спонтанного породження. Лише у 1668 році італійський фізик Франческо Реді створив відповідну експериментальну конструкцію, щоб відкинути її.

У своїх контрольованих експериментах Реді помістила в стерильну тару дрібно нарізані шматочки м’яса, загорнуті в муслін. Ці банки були належним чином покриті марлею, тому нічого не могло контактувати з м'ясом. Також експеримент демонстрував ще один набір баночок, які не були закриті.

Протягом днів глисти спостерігали лише в незакритих банках, оскільки мухи могли вільно входити і відкладати яйця. У випадку з критими банками яйця поміщали безпосередньо на марлю.

Аналогічно дослідник Лацаро Спалланзані розробив низку експериментів, щоб відкинути приміщення спонтанного покоління. Для цього він зробив серію бульйонів, які піддав тривалому кипінню, щоб знищити будь-які мікроорганізми, які там будуть жити.

Однак прихильники мимовільного породження стверджували, що кількість тепла, якому піддавались відвари, надмірна і руйнувала "життєву силу".

Вклади пастера

Пізніше, у 1864 році, французький біолог і хімік Луї Пастер вирішив покласти край постулатам мимовільного покоління.

Для досягнення цієї мети Пастер виготовляв скляні ємності, відомі як «гусячі колби», оскільки вони були довгими і вигнутими на кінчиках, тим самим запобігаючи потраплянню будь-яких мікроорганізмів.

У цих контейнерах Пастер кип'ятив серію бульйонів, які залишилися стерильними. Коли шийка одного з них була зламана, вона забруднилася і мікроорганізми розмножилися за короткий час.

Докази, надані Пастером, були неспростовними, зумівши перевернути теорію, яка тривала понад 2500 років.

Панспермія

На початку 1900-х шведський хімік Сванте Арреніус написав книгу під назвою "Створення світів", в якій висловив припущення, що життя походить з космосу через спори, стійкі до екстремальних умов.

За логікою, теорія панспермії була оточена великою суперечливістю, окрім того, що вона насправді не давала пояснення походження життя.

Хімосинтетична теорія

Розглядаючи експерименти Пастера, одним із непрямих висновків його свідчень є те, що мікроорганізми розвиваються лише з інших, тобто життя може виходити лише з життя. Це явище отримало назву «біогенез».

Дотримуючись цієї точки зору, з'являться теорії хімічної еволюції, якими керують росіянин Олександр Опарін і англієць Джон Д.С. Холдейн.

Ця думка, яку також називають хіміосинтетичною теорією Опаріна - Халдана, передбачає, що в пребіотичних середовищах в землі була атмосфера, позбавлена ​​кисню та великої кількості водяної пари, метану, аміаку, вуглекислого газу та водню, що робить її дуже відновною.

У цьому середовищі існували різні сили, такі як електричні розряди, сонячне випромінювання та радіоактивність. Ці сили діяли на неорганічні сполуки, створюючи більші молекули, створюючи органічні молекули, відомі як пребіотичні сполуки.

Експеримент Міллера та Урея

У середині 50-х років дослідникам Стенлі Л. Міллеру та Гарольду К. Урі вдалося створити геніальну систему, яка імітувала передбачувані стародавні умови атмосфери на землі за теорією Опаріна - Галдена.

Стенлі та Урі встановили, що в цих "примітивних" умовах прості неорганічні сполуки можуть породжувати складні органічні молекули, необхідні для життя, такі як амінокислоти, жирні кислоти, сечовина, серед інших.

Формування полімерів

Хоча вищезазначені експерименти пропонують правдоподібний спосіб зародження біомолекул, що входять до складу живих систем, вони не пропонують жодного пояснення процесу полімеризації та підвищення складності.

Існує кілька моделей, які намагаються з’ясувати це питання. Перший стосується твердих мінеральних поверхонь, де висока площа поверхні та силікати можуть діяти як каталізатори молекул вуглецю.

Глибоко в океані гідротермальні отвори є відповідним джерелом каталізаторів, таких як залізо і нікель. Згідно з лабораторними експериментами, ці метали беруть участь у реакціях полімеризації.

Нарешті, в океанських траншеях є гарячі басейни, які завдяки процесам випаровування могли б сприяти концентрації мономерів, сприяючи утворенню більш складних молекул. На цьому припущенні ґрунтується гіпотеза "споконвічного супу".

Примирення результатів Міллера та Пастера

Дотримуючись порядку ідеї, обговореної в попередніх розділах, ми маємо на увазі, що експерименти Пастера встановили, що життя не виникає з інертних матеріалів, тоді як докази Міллера та Урея вказують на те, що це відбувається, але на молекулярному рівні.

Щоб узгодити обидва результати, потрібно враховувати, що склад земної атмосфери сьогодні абсолютно відрізняється від атмосфери пребіотиків.

Кисень, присутній у поточній атмосфері, діяв би як "руйнівник" молекул, що утворюються. Слід також врахувати, що джерела енергії, які нібито сприяли утворенню органічних молекул, більше не є частотою та інтенсивністю пребіотичного середовища.

Усі форми життя, присутні на землі, складаються з набору структурних блоків і великих біомолекул, званих білками, нуклеїновими кислотами та ліпідами. За допомогою них можна «озброїтися» основою поточного життя: клітинами.

У клітині життя продовжується, і на цьому принципі Пастер базується на тому, що кожна жива істота повинна походити з іншої, що існувала раніше.

РНК світ

Роль автокаталізу під час абіогенезу є вирішальною, саме тому однією з найвідоміших гіпотез про походження життя є роль РНК світу, яка постулює з моменту виникнення одноланцюгових молекул, здатних до самовідтворення.

Це поняття РНК говорить про те, що перші біокаталізатори були не молекулами білкової природи, а молекулами РНК - або полімером, подібним до неї - зі здатністю каталізуватися.

Це припущення засноване на властивості РНК синтезувати короткі фрагменти, використовуючи темпер, який спрямовує процес, крім сприяння утворенню пептидів, ефірів та глікозидних зв’язків.

Згідно з цією теорією, предкарна РНК була пов'язана з деякими кофакторами, такими як метали, піримідини та амінокислоти. З просуванням і підвищенням складності метаболізму виникає здатність синтезувати поліпептиди.

В ході еволюції РНК була замінена більш хімічно стійкою молекулою: ДНК.

Сучасні уявлення про походження життя

В даний час підозрюється, що життя зародилося за крайнім сценарієм: океанічні райони поблизу вулканічних отворів, де температура може досягати 250 ° C, а атмосферний тиск перевищує 300 атмосфер.

Ця підозра виникає з-за різноманітності форм життя, виявлених у цих ворожих регіонах, і цей принцип відомий як "теорія гарячого світу".

Ці середовища були колонізовані архебактеріями, організмами, здатними рости, розвиватися та розмножуватися в екстремальних умовах, ймовірно, дуже схожих на пребіотичні умови (включаючи низькі концентрації кисню та високий рівень CO ₂ ).

Термічна стійкість цих середовищ, захист, який вони забезпечують від раптових змін і постійний потік газів, є одними з позитивних ознак, які роблять морське дно та вулканічні отвори придатними середовищами для початку життя.

Терміни біогенезу та абіогенезу

У 1974 році відомий дослідник Карл Саган опублікував статтю, що роз'яснює використання термінів біогенез та абіогенез. За словами Сагана, обидва терміни були вжиті помилково у статтях, пов’язаних із поясненнями походження перших живих форм.

Серед цих помилок - використання терміна біогенез як власного антоніму. Тобто біогенез використовується для опису походження життя, починаючи з інших живих форм, тоді як абіогенез стосується походження життя від неживої речовини.

У цьому сенсі сучасний біохімічний шлях вважається біогенним, а пребіологічний метаболічний шлях - абіогенним. Тому слід звернути особливу увагу на використання обох термінів.

Список літератури

1. Бергман, Дж. (2000). Чому абіогенез неможливий. Творче дослідницьке товариство щоквартально, 36 (4).
2. Просс, А., Паскаль, Р. (2013). Походження життя: що ми знаємо, що можемо знати, а що ніколи не дізнаємось. Відкрита біологія, 3 (3), 120190.
3. Садава, Д., І Purves, WH (2009). Життя: наука про біологію. Panamerican Medical Ed.
4. Саган, К. (1974). На терміни "біогенез" та "абіогенез". Витоки життя та еволюція біосфер, 5 (3), 529–529.
5. Шмідт, М. (2010). Ксенобіологія: нова форма життя як найвищий інструмент біобезпеки. Біоаналізи, 32 (4), 322–331.
6. Серафіно, Л. (2016). Абіогенез як теоретичний виклик: Деякі роздуми. Журнал теоретичної біології, 402, 18–20.