Ранние теории и длинная тень спонтанного поколения

На протяжении тысячелетий происхождение жизни было не научным вопросом, а богословским или философским. Древние культуры от Месопотамии до Китая приписывали первые живые существа деяниям богов или верховного создателя. Первое подлинно натуралистическое объяснение — и то, которое доминировало в западной мысли почти две тысячи лет — было спонтанное поколение. Аристотель (384-322 гг. до н.э.) утверждал, что жизнь может возникнуть непосредственно из неживой материи. Он наблюдал, что личинки появляются на гниющем мясе и что мыши, кажется, возникают из груд сена, и он пришел к выводу, что «жизненное тепло» в органической материи может производить живые организмы.

Спонтанное поколение не подвергалось серьёзным испытаниям до 17 века, когда итальянский врач Франческо Реди провёл простой, но элегантный эксперимент. Он поместил мясо в три банки: одну открытую, одну покрытую марлей, а другую запечатанную. Мэгготы появились только в открытой банке, доказав, что они пришли от мух, откладывающих яйца, а не от самого мяса. Несмотря на работу Реди, вера в спонтанное зарождение сохранялась для микроскопических организмов, так как многие до сих пор считали, что крошечные формы жизни могут возникать спонтанно в бульоне.

Последний удар пришел от Луи Пастера в 1860-х гг. Используя лебединые колбы, которые позволяли воздуху, но мешали пыли (и микробам) достигать бульона, Пастер показал, что стерилизованный бульон оставался стерильным бесконечно, если колба не была наклонена, чтобы позволить контактировать с пылью. Этот эксперимент считается одним из самых важных в истории биологии, решительно опровергая спонтанное зарождение всех известных форм жизни. Однако он также закрыл дверь на вопрос о том, как жизнь началась сначала — если вся жизнь происходит от ранее существовавшей жизни, то откуда появилась первая жизнь? Это была загадка, которую сам Пастер не мог решить.

Рождение абиогенеза: от химических ключей к Миллеру-Ури

Если спонтанное зарождение невозможно в нынешних условиях, то происхождение жизни должно было быть уникальным событием в далеком прошлом Земли, в условиях, очень отличающихся от сегодняшних. Эта идея известна как абиогенез — естественный процесс, посредством которого жизнь возникает из неживой материи в течение длительного времени и в конкретных геохимических условиях. Термин был популяризирован Эрнстом Геккелем в 1860-х годах и получил научную поддержку в 20-м веке.

Гипотеза Опарина-Халдана

В 1920-х годах русский биохимик Александр Опарин и британский генетик Дж.Б.С. Холдейн независимо предположили, что жизнь возникла в результате постепенной химической эволюции в ранних океанах Земли. Они предположили, что в примитивной атмосфере не хватало свободного кислорода (]O2) и вместо этого содержали метан (CH43), водяной пар и водород (H2. Энергия от ультрафиолетового света, молнии и вулканической активности заставила бы эти простые молекулы реагировать и образовывать более сложные органические соединения, такие как аминокислоты, сахара и нуклеотиды. Эти соединения накапливались бы в океанах, образуя «первичный суп»

Опарин далее предположил, что эти органические молекулы могут объединяться в коацерваты — сферические капли, которые проявляют некоторые свойства жизни, такие как поглощение питательных веществ из окружающей среды и выращивание.

Эксперимент Миллера-Ури (1953)

В 1953 году Стэнли Миллер и Гарольд Ури из Чикагского университета проверили гипотезу Опарина-Халдейна. Они построили закрытую систему стеклянных колб и трубок, которые имитировали то, что тогда считалось условиями ранней Земли: смесь метана, аммиака, водорода и водяного пара, с непрерывными электрическими искрами для имитации молнии. Всего через неделю они обнаружили, что вода стала красновато-коричневой. Анализ показал, что более 20 различных аминокислот, включая глицин, аланин и аспарагиновую кислоту, сформировались — строительные блоки белков.

Эксперимент Миллера-Урея стал знаковым достижением. Он доказал, что органические молекулы, необходимые для жизни, могут образовываться спонтанно при вероятных пребиотических условиях. Последующие эксперименты, включающие вариации, в которых использовались различные газовые смеси (такие как окись углерода и азот), дали не только аминокислоты, но и нуклеотиды (например, аденин, гуанин), сахара и жирные кислоты. Некоторые из этих экспериментов даже произвели нуклеотиды , мономеры РНК. Эксперимент остается краеугольным камнем исследований происхождения жизни и был процитирован более 20 000 раз.

За пределами первичного супа: гидротермальные вентиляционные отверстия и подземные океаны

В то время как эксперимент Миллера-Урея предполагает, что органические молекулы могли образоваться в поверхностных океанах или прудах, более поздние исследования указывают на альтернативные среды. В 1970-х годах открытие глубоководных гидротермальных вентиляционных отверстий выявило экосистемы, процветающие в полной темноте, при экстремальных температурах и давлениях, питающиеся не солнечным светом, а химической энергией из недр Земли. Эти вентиляционные отверстия выделяют минералы, такие как железо, никель и сера , которые могут катализировать органические реакции. щелочная гидротермальная вентиляционная гипотеза , отстаиваемая Майклом Расселом, предполагает, что первая жизнь возникла в этих жерлах, где крутые рН и температурные градиенты создали естественный химический реактор. Вентиляционные отверстия могли обеспечить необходимую энергию и сырье для образования протоклеток — простые липидные

Панспермия: жизнь со звезд?

Ни одно обсуждение происхождения жизни не является полным без рассмотрения гипотезы панспермии. Панспермия утверждает, что жизнь не возникла на Земле, а была засеяна из других мест во Вселенной — переносимая кометами, метеоритами или межзвездной пылью. Эта идея не решает окончательное происхождение жизни; она просто вытесняет проблему в другое место. Однако она получила некоторое доверие с открытием, что некоторые микроорганизмы, называемые экстремофилами, могут пережить вакуум космоса, экстремальный холод и высокое излучение. Мерчисон метеорит, который упал в Австралии в 1969 году, был найден, чтобы содержать более 70 различных аминокислот, многие из которых не распространены на Земле. Аналогично, углеродистые хондриты содержат органические молекулы, включая нуклеотиды и сложные углеводороды.

Существует несколько вариантов панспермии:

  • Литопанспермия:] Микробы перемещаются внутри пород, выброшенных с планет ударами астероидов. Скала обеспечивает защиту и может достигать других планет в пределах Солнечной системы в течение десятков тысяч лет.
  • Балло-панспермия:] Микробы выбрасываются в космос в виде агрегатов или заключены в органический материал, потенциально переживая более длительные путешествия.
  • Прямая панспермия: Спорная идея о том, что жизнь была намеренно распространена разумной цивилизацией. Это остаётся спекулятивным и не имеет доказательств.

Хотя панспермия завораживает, большинство ученых считают ее маловероятным в качестве основного объяснения жизни на Земле, потому что она не объясняет очень раннее появление жизни на нашей планете. Более того, она не может объяснить, как жизнь возникла в первую очередь - она просто отодвигает вопрос дальше. Тем не менее, изучение панспермии стимулировало важные исследования в астробиологии и жизнестойкости жизни в космосе.

Другие гипотезы и новые теории

Мировая гипотеза РНК

Белки необходимы для метаболизма и структуры, но они не могут реплицироваться. ДНК хранит генетическую информацию, но не может катализировать химические реакции. В начале 1980-х годов открытие рибозимов — молекул РНК, которые могут действовать как ферменты — привело к мировой гипотезе РНК. Если РНК могла хранить информацию и катализировать реакции, то, возможно, первая самовоспроизводящаяся система была основана на РНК. Эта гипотеза теперь широко принята в качестве правдоподобного шага между пребиотической химией и клеточной жизнью. Задача состоит в понимании того, как молекулы РНК формировались спонтанно и как они в конечном итоге эволюционировали, чтобы производить ДНК, белки и сложные механизмы, которые мы видим сегодня.

Гипотеза Клэя

Шотландский химик Александр Грэм Кэрнс-Смит предположил, что жизнь могла начаться на поверхности глиняных минералов. Кристаллы глины имеют регулярную структуру и могут размножаться несовершенно, действуя как простые шаблоны. Органические молекулы могли прикрепляться к этим глиняным поверхностям, постепенно становясь более сложными, пока они в конечном итоге не взяли на себя процесс репликации. В то время как глиняная гипотеза не получила широкого признания в своей первоначальной форме, многие исследователи теперь признают, что минеральные поверхности (включая глины, пирит и карбонаты) могли иметь концентрированные органические молекулы и катализировать их полимеризацию.

Термодинамические и информационные теории

Более поздние подходы рассматривают происхождение жизни как проблему неравновесной термодинамики — как самоорганизующиеся структуры могут возникать и сохраняться против энтропии.Физик Джереми Англия предположил, что при определенных движущих силах (таких как градиенты температуры) простая материя будет стремиться спонтанно самоорганизоваться в сложные структуры, которые рассеивают энергию более эффективно.Хотя эта линия мышления все еще спорна, она размывает границу между «неживым» и «живым» и предполагает, что жизнь может быть неизбежным следствием физических законов при подходящих условиях.

Современные исследовательские рубежи

Сегодня изучение происхождения жизни является яркой междисциплинарной областью, объединяющей химию, биологию, геологию, астрономию и компьютерное моделирование.

  • Пребиотическая химия в реалистичных условиях ранней Земли: Исследователи тестируют сценарии с использованием углекислого газа, азота и вулканических газов вместо метан-аммиачных смесей, используемых Миллером и Ури. Некоторые эксперименты теперь имитируют химию кратеров ударных кратеров или приливных бассейнов, где циклы влажной сушки могли бы иметь концентрированные органические молекулы.
  • Исследования протоклеток: Ученые строят простые клеточные модели с использованием жирнокислотных пузырьков, которые могут расти, делиться и инкапсулировать генетические молекулы. Цель состоит в том, чтобы создать минимальную систему, которая может пройти дарвиновскую эволюцию.
  • Астробиология и исследования экзопланет: Открытие тысяч экзопланет расширило поиск жизни за пределами нашей Солнечной системы. Предстоящие миссии, такие как космический телескоп Джеймса Уэбба, анализируют атмосферы далеких планет на биосигналы , такие как кислород, метан и водяной пар. Между тем, роботизированные миссии на Марс, Европу и Энцелад ищут доказательства прошлой или настоящей жизни.
  • Синтетическая биология: В 2016 году исследователи из Института Крейга Вентера создали минимальную бактериальную клетку с всего 473 генами, самым маленьким из известных геномов для живого организма.
  • Машинное обучение и квантовая химия: Мощные компьютерные симуляции теперь способны моделировать образование сложных молекул в пребиотических условиях, предсказывая, какие химические пути наиболее вероятны. Эти инструменты помогли идентифицировать автокаталитические сети, которые могли бы поддерживать раннюю жизнь.
«Происхождение жизни — это не одно событие, а процесс — серия все более сложных шагов, которые превратили неживую химию в живую клетку. Мы нигде не близки к полному пониманию, но мы гораздо ближе, чем пятьдесят лет назад». — Сара Маурер, астробиолог из Массачусетского технологического института.

Проблемы и вопросы без ответа

Несмотря на десятилетия прогресса, остается много фундаментальных вопросов. Одной из самых больших является проблема генетики и метаболизма курицы и яйца. Современная жизнь требует как информации (ДНК/РНК), так и функции (белков), но каждая зависит от другой. Гипотеза мира РНК предлагает возможное решение, но не объясняет, как сама РНК сформировалась. Связанная с этим проблема гомохиральности : живые организмы используют только левосторонние аминокислоты и правосторонние сахара, но пребиотические реакции производят равные смеси. Как природа нарушила эту симметрию до сих пор неизвестно.

Другая загадка — это ископаемые записи . Самые старые известные окаменелости микробных клеток датируются примерно 3,5 миллиарда лет назад , найденные в Западной Австралии. Тем не менее, свидетельства жизни в виде сигнатур изотопов углерода восходят к 3,8 миллиарда лет — всего несколько сотен миллионов лет после окончания Поздней тяжелой бомбардировки (~4,1-3,8 миллиарда лет назад), когда Земля была подвергнута ударам астероидов. Это узкое окно предполагает, что если жизнь возникла на Земле, она сделала это так быстро, возможно, всего за 100 миллионов лет . Некоторые исследователи утверждают, что эта скорость подразумевает, что жизнь является космическим императивом, в то время как другие предупреждают, что ранние ископаемые свидетельства неоднозначны и могут иметь небиологическое происхождение.

Заключение: Продолжение путешествия

От спонтанного зарождения Аристотеля до искровой фляги Миллера-Урея и от первичного супа Опарина-Халдейна до передовых симуляций пребиотической химии наше понимание происхождения жизни резко эволюционировало. Ведущая теория сегодня остается абиогенезом в той или иной форме — будь то в теплом маленьком пруду, глубоководном вентиляционном отверстии или ударном кратере. Панспермия не исключена, но рассматривается как дополнение, а не замена. Поле выходит за рамки простой химии, чтобы рассмотреть физические принципы самоорганизации , которые делают жизнь, казалось бы, неизбежной.

Ясно, что вопрос больше не метафизический. Это проверяемая эмпирическая проблема, которая уступает научному методу. По мере того, как мы продолжаем исследовать глубокое прошлое нашей собственной планеты и по мере того, как мы обращаемся к другим мирам, мы можем наконец ответить на один из самых глубоких вопросов человечества: Как началась жизнь на Земле? До тех пор охота продолжается — в лабораториях, в древних породах и в потоках данных от телескопов, вращающихся вокруг далеких звезд.

Для дальнейшего чтения см. этот обзор Природы по пребиотической химии , Институт астробиологии НАСА и 2021 Научная статья о первичном метаболизме .