post

Произход на живота

Произход на живота е тема, която в миналото е била, а и днес все още е твърде спорна за непросветените хора. За радост на останалите, голяма част от отговорите на въпросите свързани с нея са вече известни. През последните два века са направени множество научни открития, които безспорно доказват, че живият свят на планетата Земя е продукт на физическите и химическите закони, които управляват и останалата част от Вселената. С появата на живота се утвържадават и множество биологични закономерности, които са тясно подчинени на тези на физиката и химията.

Тази статия се базира на главата „Произход на живота“ от книгата на Айзък Азимов „Пътеводител в науката: биологически науки“. Използвани са цитати  от същата книга.

Айзък Азимов, произход на живота

Айзък Азимов

Биохимична същност на живота

Това което знаем днес е, че всички живи организми са изградени от белтъци и нуклеинови киселини. Практически животът съществува на основата на тези два вида химични съединения.

Важно е също да се знае, че нуклеиновите киселини – дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК) и рибонуклеиновата киселина (РНК) са фундаментът на генетичния код. На базата на него се изграждат всички структури в организма на всяко едно същество на планетата. Същевременно, благодарение на нуклеиновите киселини, организмите се размножават и унаследяват генетичната информация на своите предшественици.

Както вече споменахме, всички организми включват в строежа си и белтъци (протеини). Те имат най-различни функции и са абсолютно незаменими. Макар да са познати вируси, които представляват една единствена нуклеинова киселина, спокойно може да се каже, че протеините са другата неизменна съставка на живота.

Хипотези за произхода на живота

Без нуклеиновите киселини живите организми не могат да се възпроизвеждат. А колкото до живота, такъв, какъвто го познаваме, не би започнал изобщо. Тогава какво е началото на ДНК и РНК, а следователно и какъв е загадъчният произход на живота? Това е въпрос, който науката в миналото се е колебаела да зададе, тъй като генезисът на живия свят е бил тясно свързан с религиозните вярвания.

Теистични хипотези – хипотеза за божественото начало

В митовете на повечето древни култури се разказва за сътворението на първите хора от богове или демони. Тези митични същества притежават свръхестествени способности и често приличат на самите хора. Този начин на мислене се прехвърлил и в големите религиозни течения. Те дори и днес споделят наивните убеждения, че загадъчният произход на живота е дело на един всемогъщ бог.

Хипотеза за самозараждането

В действителност, в интелектуалните среди рядко се е смятало, че възникването на самия живот е изцяло божествена заслуга. Аристотел през Древността вярвал в съществуването на спонтанното зараждане. Така било и с големите християнски теолози на средните векове, като например Тома Аквински. В същото вярвали и Уилям Харвей и Исак Нютон.

Италианският лекар Франческо Реди опровергал тази теория. Той поставил парченца месо в една редица буркани и след това покрил някои от тях с фина марля. Личинки се образували само в месото в откритите буркани, където мухите имали свободен достъп. Реди заключил, че личинките са се образували от микроскопично малки яйца, снесени от мухите, а не са се самозародили. Натуралистът Спаланцани пък доказал, че микроорганизмите също не могат да се зараждат от самосебе си. Луи Пастьор сложил последния пирон в ковчега на тази идея.

Хипотеза за панспермията

Сванте Арениус пък поддържал идеята, че животът е съществувал винаги и се разпространява като се движи през пространството, непрестанно колонизирайки нови планети. На пръв поглед тази теория изглежда примамлива, но хипотезата на Арениус е неустойчива на ултравиолетовата светлина.

Този вид лъчение бързо убива спорите на бактериите, а в междузвездното пространство слънчевата ултравиолетова светлина е интензивна. Достоверността на хипотезата съвсем изчезва, ако добавим и останалите разрушителни лъчения, като космически лъчи, слънчевите рентгенови лъчи и зоните на заредени частици в поясите на Ван Алън около Земята. Вероятно съществуват някъде спори, устойчиви на лъчения, но познатите ни досега, изградени от белтъци и нуклеинови киселини, не биха оцелели в тези условия.

Въпреки това, дори и днес съществува схващането, че животът не е възникнал на Земята, а е пренесен чрез спори от гигантска комета сблъскала се с нашата планета. Засега обаче няма никакви сериозни доказателства в тази насока и подобна хипотеза може да се отхвърли като несъстоятелна.

Теория за произход на живота

Реалният произход на живота е резултат от биохимична еволюция в условията на зараждащата се планета.

Биохимичната еволюция

Първичната атмосфера на Земята вероятно е съответствала по-добре на общото разпределение на елементите във Вселената. Тъй като 90% от всички атоми във Вселената са водородни, бихме могли да очакваме, че първичната атмосфера е съдържала водород в съчетание с други често срещани вещества, като метан, амоняк, вода, както и малко количество свободен кислород.

Тази силно наситена с водород атмосфера можем да наречем Първа атмосфера. В процеса на фотодисоциация тя бавно се превърнала във Втора атмосфера, съставена от въглероден диоксид и азот. След това в нейните високи пластове се образувал озонен слой и спонтанното изменение спряло.

произход на живота

образуване на Земята в началото

Да разгледаме например Втора атмосфера. Въглеродният диоксид е разтворим във вода и докато Земята се е къпела във Втора атмосфера, океанът вероятно е бил като огромен резервоар с газирана вода. Ултравиолетовото излъчване от Слънцето на морското равнище би трябвало да е много по-интензивно в сравнение с днешното. Втора атмосфера  е била в последните стадии на образуването си – преди озонният слой да е заел окончателното мястото си. Нещо повече, тогава почвата на Земята вероятно е имала и по-голям запас от радиоактивни вещества отколкото сега. Възниква въпросът – би ли могла при тези условия да се зароди органична материя?

Опити за доказване на биохимичната теория

Стенли Милър през 1952 година, като аспирант на Харолд Урий, направил симулация на Първа атмосфера. Той пресъздал в своя опитна постановка хипотетичните условия, които съществували в онези праисторически времена.

 Стенли Милър и Харолд Урий

опитната постановка на Стенли Милър и Харолд Урий, която дава отговор за най-вероятния произход на живота

След извършване на редица опити доказал, че при тези условия биха могли да се образуват органични вещества (в конкретния случай глицин и аланин – аминокиселини, които участват в строежа на белтъците).

Експериментът на Милър може да бъде открит в научната литература, но по-важното е, че той е показателен в няколко отношения. На първо място, тези съединения се били образували бързо и в изненадващо големи количества. Една шеста от началния метан била изразходвана за образуването на по-сложни органични съединения, макар че експериментът продължил само една седмица. Второ – органичните молекули, образувани при експеримента на Милър, се оказали точно като тези в живата тъкан.

Други учени след Милър направили множество подобни експерименти и синтезирали органични вещества в условия наподобяващи Първа атмосфера. Някои доказателства обаче сочат, че образуването на органични вещества започнало още докато се образувала Земята.

Цейлонският (от Шри Ланка) биохимик Сирил Понамперума при опити подобни тези на Милър, но в присъствието на органични вещества като аденин и рибозин успял да получи аденозинтрифосфат (АТФ). При други опити той получил и динуклеотиди. Оказало се, че несъмнено нормалните химични и физични промени в първичния океан са могли да действат така, че да изградят белтъци и нуклеинови киселини.

Биохимичните реакции продължават

Количествата на образуваните органични вещества в първичния океан са били огромни – около 1000 000 000 000 тона. Тъй като е нямало свободен кислород, който да ги окислява и разгражда, те се оказали напълно достатъчно да заработи лабораторията на природата. Образували са се множество сложни органични вещества като простите захари, пептиди, пурини, пиримидини, нуклеотиди, белтъци и накрая нуклеинови киселини.

В един момент е настъпило и решителното събитие, при което чрез случайни комбинации се е образувала молекула нуклеинова киселина, способна да предизвиква удвояване. Този момент бележи началото на живота. Всички етапи в развитието на Земята до него и химическите процеси през тях, представляват периода на биохимичната еволюция, който предшествал еволюцията на самия живот.

Твърде вероятно е една единствена жива молекула да е била в основата на целия произход на живота. Възможно е тя да е поставила началото на целия свят от толкова различни живи същества, също както от единствена оплодена клетка може да роди невероятно сложен организъм.

Органичната еволюция

В органичната супа, каквото е представлявал по онова време океанът, първата жива молекула вероятно се е удвоила за кратко време до милиард себеподобни. Случайни мутации са създали малко изменени форми на молекулата, а тези, които по някакъв начин са били по-годни от останалите са се намножили за сметка на съседите си и са изместили старите форми. Ако една група е била по-пригодна за топла, а друга за студена вода, образували са се две разновидности, всяка ограничена в най-подходящата за нея среда. По този начин е започнала органичната еволюция.

Въпреки голямото разнообразие на днешните живи организми, всички те са изградени по общ основен план. При всички тях клетъчния обмен на веществата става почти по един и същ начин. Освен това особено значение има и фактът, че белтъците на всички живи същества се състоят от L-алфааминокиселини. Има малки изключения в стените на някои бактерии и в някои антибиотици се срещат Д-алфааминокиселини.

Разбира се, крачката от живата молекула към живота, какъвто го познаваме сега, е гигантска. Като изключим вирусите, всички организми са изградени от клетки, а колкото и малка да изглежда за човешките представи, клетката е невероятно сложна по химичния си строеж и взаимните зависимости. Как започва всичко?

произход на живота

формиращата се атмосфера

Появата на първата клетка

Сидни Фокс предположил, че древната Земя би трябвало да е твърде гореща и че само енергията на топлината ѝ би била достатъчна от простите съединения да се образуват сложни. За да се провери дали е така, през 1958 г. Фокс нагрял смес от аминокиселини и открил, че образуват дълги вериги, подобни на тези в белтъчните молекули.

За най-голяма изненада, когато Фокс разтворил протеноидите в гореща вода и оставил разтвора да се охлади, установил, че се притискат здраво един към друг. Те образували малки „микросфери“ почти с размера на бактериите. Тези микросфери не били живи, но поведението им наподобявало това на клетките.

Вероятно в древността такива мънички, не съвсем живи агрегати от вещества са се образували в няколко разновидности. Някои от тях са били особено богати на ДНК и много успешно са се удвоявали. Други пък много успешно са се справяли с енергията. Възможно е такива групи от агрегати да са се обединили, всяка осигурявайки това, което не достига на другата. По този начин на коопериране те са образували биологичната клетка, която е била много по-годна от всяка от отделните ѝ части сама за себе си.

Поява на фотосинтезата

През периода на Първа и Втора атмосфера примитивните форми на живот са могли да съществуват само за сметка на разпадането на сложни химически вещества. След образуването на озоновия слой, образуването на сложни химически вещества е спряло, поради липсата на силно ултравиолетова лъчение. По това време обаче са се образували структури подобни на митохондриите, които съдържали хлорофил. Това били прародителите на хлоропластите.

Първите използващи хлорофил организми вероятно не са били много по-сложни от отделните хлоропласти днес. Синьо-зелените водорасли са може би най-простите наследници на първоначалния хлоропласт. С размножаването на хлоропластите в древния океан постепенно въглеродният диоксид се изчерпал и на негово място дошъл молекулният кислород. Образувала се е сегашната Трета атмосфера.

Появата на растителната клетка с автотрофен тип на хранене било възможно благодарение на хлоропластите. Но старите клетки, които се хранели по стария начин, вече не можели да получават енергия от новообразуващи се химични вещества. Безхлорофилните клетки започнали да поглъщат фотосинтезиращите и по този начин си осигурявали необходимата енергия, защото разполагали със сложен митохондриален апарат. Така се появила сегашната животинска клетка. Организмите станали достатъчно сложни, за да започне биологичната еволюция.

земята

Земята такава, каквато е днес

Междувременно околната среда се променила радикално от гледна точка на създаването на нов живот. Биохимичен произход на живота вече не можел да се наблюдава като чисто химична еволюция. Преди всичко формите на енергия, които са го подпомагали, и на първо място УВ светлината и радиоактивната енергия вече ги нямало. Второ важно препятствие било, че устойчивите форми на живот бързо биха консумирали всяка спонтанно появила се органична молекула. Земята никога нямало да бъде същата.

Сходни Публикации

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *

Leave the field below empty!