История исследований происхождения жизни
История исследований происхождения жизни включает в себя теории о том, как зародилась жизнь , от древних времен с философией Аристотеля до эксперимента Миллера-Юри в 1952 году.
Панспермия
[ редактировать ]Панспермия – это гипотеза о том, что жизнь существует во Вселенной , распространяясь с помощью метеороидов , астероидов , комет. [1] и планетоиды . [2] Он не пытается объяснить, как зародилась жизнь, а переносит ее происхождение на другое небесное тело. Преимущество состоит в том, что жизнь не обязательно должна формироваться на каждой планете, на которой она возникает, а скорее в одном месте, а затем распространяться по галактике в другие звездные системы посредством удара кометы или метеорита. [3] Доказательств этому мало, но они находят некоторую поддержку в исследованиях марсианских метеоритов, найденных в Антарктиде , и выживании микробов- экстремофилов в ходе космических испытаний. [4] [5] [6] [7] Наземные бактерии , в частности Deinococcus radiodurans , обладающие высокой устойчивостью к опасностям окружающей среды в течение как минимум трех лет , могут выжить в космическом пространстве , согласно исследованиям, проведенным на Международной космической станции . [8] [9]
Крайнее предположение состоит в том, что биохимия жизни могла начаться уже через 17 млн лет (миллионов лет) после Большого взрыва , во время предположительно обитаемой эпохи , и что жизнь может существовать во всей Вселенной . [10] [11] Карл Циммер предположил, что химические условия, включая бор , молибден и кислород, необходимые для создания РНК, возможно, были лучше на раннем Марсе, чем на ранней Земле. [12] [13] [14] Если бы это было так, то пригодные для жизни молекулы, возникшие на Марсе, позже мигрировали бы на Землю через выбросы метеоритов .
Спонтанное зарождение
[ редактировать ]Общее признание до 19 века
[ редактировать ]
Традиционная религия приписывала происхождение жизни божествам, создавшим мир природы. Спонтанное зарождение , первая натуралистическая теория абиогенеза, восходит к Аристотелю и древнегреческой философии и продолжала пользоваться поддержкой западных ученых до 19 века. [15] Теория утверждала, что «низшие» животные возникают в результате разложения органических веществ. Аристотель утверждал, что, например, тля возникает от росы на растениях, мухи – от гнилых веществ, мыши – от грязного сена, а крокодилы – от гниющих затонувших бревен. [16] Основная идея заключалась в том, что жизнь постоянно создавалась в результате случайных событий. [17] В 17 веке люди начали подвергать сомнению самозарождение в таких работах, как » Томаса Брауна «Эпидемическая псевдодоксия . Его современник Александр Росс ошибочно опроверг его. [18] [19] В 1665 году Роберт Гук опубликовал первые рисунки микроорганизма . В 1676 году Антони ван Левенгук нарисовал и описал микроорганизмы, вероятно, простейшие и бактерии . [20] Многие считали, что их существование поддерживает самопроизвольное зарождение, поскольку они казались слишком упрощенными для полового размножения и бесполого размножения : деление клеток еще не наблюдалось. Ван Левенгук не соглашался с самопроизвольным зарождением и к 1680-м годам убедился, используя эксперименты, начиная от инкубации мяса в закрытом и открытом помещении и тщательного изучения размножения насекомых, что эта теория неверна. [21] В 1668 году Франческо Реди показал, что личинки в мясе не появляются, если мухам не дают откладывать яйца. [22] В 1768 году Лаццаро Спалланцани продемонстрировал, что микробы в воздухе присутствуют , и их можно убить кипячением. В 1861 году эксперименты Луи Пастера продемонстрировали, что такие организмы, как бактерии и грибы, не появляются спонтанно в стерильных, богатых питательными веществами средах, а могут появиться только путем вторжения извне. [ нужна ссылка ]
Считается опровергнутым в 19 веке.
[ редактировать ]
К середине XIX века биогенез был подтвержден таким большим количеством доказательств, что самопроизвольное зарождение было фактически опровергнуто. Пастер заметил по поводу своего открытия 1864 года: «Никогда доктрина самозарождения не оправится от смертельного удара, нанесенного этим простым экспериментом». [23] [24] Это дало механизм, с помощью которого жизнь диверсифицировалась от нескольких простых организмов до множества и сложных форм. Сегодня ученые согласны с тем, что вся нынешняя жизнь произошла от более ранней жизни, которая становилась все более сложной и разнообразной благодаря Чарльза Дарвина механизму эволюции путем естественного отбора .
Дарвин написал Дж. Д. Хукеру 29 марта 1863 года, заявив, что «это просто чушь — думать в настоящее время о происхождении жизни; с таким же успехом можно думать о происхождении материи». В «Происхождении видов » он говорил о том, что жизнь была «сотворена», под этим он «на самом деле имел в виду «появившуюся» в результате какого-то совершенно неизвестного процесса», но вскоре пожалел об использовании ветхозаветного термина «творение». [25]
Опарин: Гипотеза первичного супа
[ редактировать ]Единой общепринятой модели происхождения жизни не существует. Ученые предложили несколько правдоподобных гипотез, которые имеют некоторые общие элементы. Хотя эти гипотезы различаются в деталях, они основаны на концепции, изложенной Александром Опариным (в 1924 г.) и Джоном Холдейном (в 1929 г.), согласно которой первые молекулы, составляющие самые ранние клетки,
. . . были синтезированы в естественных условиях в результате медленного процесса молекулярной эволюции , и эти молекулы затем организовались в первую молекулярную систему со свойствами биологического порядка». [26]
Опарин и Холдейн предположили, что атмосфера ранней Земли могла иметь химически восстановительную природу и состоять в основном из метана (CH 4 ), аммиака (NH 3 ), воды (H 2 O), сероводорода (H 2 S), углерода. диоксид (CO 2 ) или окись углерода (CO) и фосфат (PO 4 3− ), где молекулярный кислород (O 2 ) и озон (O 3 ) либо редки, либо отсутствуют. Согласно более поздним моделям, атмосфера позднего гадейского периода состояла в основном из азота (N 2 ) и углекислого газа, с меньшим количеством угарного газа, водорода (Н 2 ) и соединений серы; [27] хотя ему не хватало молекулярного кислорода и озона, [28] оно не было таким химически восстанавливающим, как предполагали Опарин и Холдейн.
Никаких новых заметных исследований или гипотез по этому вопросу не появлялось до 1924 года, когда Опарин пришел к выводу, что кислород воздуха предотвращает синтез некоторых органических соединений, которые являются необходимыми строительными блоками для жизни. В своей книге «Происхождение жизни » [29] [30] он предположил (вторя Дарвину), что «самопроизвольное зарождение жизни», на которое нападал Пастер, на самом деле однажды произошло, но теперь было невозможно, потому что условия, обнаруженные на ранней Земле, изменились, и существовавшие ранее организмы немедленно поглощали бы любые спонтанно возникший организм. Опарин утверждал, что «первобытный суп» из органических молекул может быть создан в бескислородной атмосфере под действием солнечного света . Они будут объединяться все более сложными способами, пока не образуют коацерватные капли. Эти капли будут « расти » за счет слияния с другими каплями и « размножаться » посредством деления на дочерние капли, и поэтому имеют примитивный метаболизм , при котором факторы, способствующие «целостности клеток», выживают, а те, которые не вымирают . Многие современные теории происхождения жизни до сих пор берут за отправную точку идеи Опарина.
Примерно в это же время Холдейн предположил, что пребиотические океаны Земли (совершенно отличающиеся от своих современных аналогов) образовали «горячий разбавленный суп», в котором могли образоваться органические соединения. Бернал назвал эту идею биопоэзисом или биопоэзисом , процессом эволюции живой материи из самовоспроизводящихся, но неживых молекул. [17] [31] и предположил, что биопоэз проходит ряд промежуточных стадий.
Роберт Шапиро резюмировал теорию «первичного супа» Опарина и Холдейна в ее «зрелой форме» следующим образом: [32]
- Ранняя Земля имела химически восстановительную атмосферу .
- Эта атмосфера, подвергавшаяся воздействию энергии в различных формах, производила простые органические соединения (« мономеры »).
- Эти соединения накапливались в «супе», который мог концентрироваться в различных местах (береговая линия, океанические жерла и т. д.).
- В результате дальнейшей трансформации более сложные органические полимеры — и, в конечном итоге, жизнь. в супе развились
Джон Бернал
[ редактировать ]Джон Бернал показал, что, основываясь на этой и последующих работах, в принципе несложно образовать большинство молекул, которые мы считаем необходимыми для жизни, из их неорганических предшественников. Основная гипотеза, которой придерживались Опарин, Холдейн, Бернал, Миллер и Юри, например, заключалась в том, что многочисленные условия на первобытной Земле благоприятствовали химическим реакциям, которые синтезировали один и тот же набор сложных органических соединений из таких простых предшественников.Бернал ввел термин «биопоэзис» в 1949 году для обозначения происхождения жизни. [33] В 1967 году он предположил, что это происходило в три «этапа»:
- происхождение биологических мономеров
- происхождение биологических полимеров
- эволюция от молекул к клеткам
Бернал предположил, что эволюция началась между стадиями 1 и 2. Бернал считал третью стадию, на которой биологические реакции происходят за границей клетки, самой сложной. Современные исследования того, как самоорганизуются клеточные мембраны , а также работа над микропорами в различных субстратах могут стать ключевым шагом на пути к пониманию развития независимых свободноживущих клеток. [34] [35] [36]
Эксперимент Миллера-Юри
[ редактировать ]
В 1952 году Стэнли Миллер и Гарольд Юри провели эксперимент, который продемонстрировал, как органические молекулы могли спонтанно образоваться из неорганических предшественников в условиях, подобных тем, которые постулируются гипотезой Опарина-Холдейна. В эксперименте Миллера -Юри использовалась высоковосстановительная смесь газов — метана , аммиака и водорода , а также водяной пар — для образования простых органических мономеров, таких как аминокислоты. [37] Смесь газов пропускалась через аппарат, который подавал в смесь электрические искры. Через неделю было обнаружено, что от 10% до 15% углерода в системе находилось в форме рацемической смеси органических соединений, включая аминокислоты, которые являются строительными блоками белков . Это обеспечило прямую экспериментальную поддержку второго пункта теории «супа», и именно вокруг оставшихся двух пунктов теории сосредоточена большая часть дискуссий. Повторный анализ сохраненных флаконов в 2011 году выявил больше биохимических веществ, чем первоначально было обнаружено в 1950-х годах, включая 23 аминокислоты, а не только пять. [38] Исследования 2020 года показывают, что первобытная атмосфера Земли сильно отличалась от условий, использованных в исследованиях Миллера-Юри. [39] [40]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Викрамасингхе, Чандра (2011). «Бактериальная морфология, подтверждающая кометную панспермию: переоценка». Международный журнал астробиологии . 10 (1): 25–30. Бибкод : 2011IJAsB..10...25W . CiteSeerX 10.1.1.368.4449 . дои : 10.1017/S1473550410000157 . S2CID 7262449 .
- ^ Рампелотто, PH (2010). «Панспермия: перспективная область исследований». В: Научная конференция по астробиологии. Абс 5224.
- ^ Чанг, Кеннет (12 сентября 2016 г.). «Видения жизни на Марсе в глубинах Земли» . Нью-Йорк Таймс . Архивировано из оригинала 12 сентября 2016 года . Проверено 12 сентября 2016 г.
- ^ Кларк, Стюарт (25 сентября 2002 г.). «Крепкий земной жук может быть с Марса» . Новый учёный . Архивировано из оригинала 2 декабря 2014 года . Проверено 21 июня 2015 г.
- ^ Хорнек, Герда; Клаус, Дэвид М.; Манчинелли, Рокко Л. (март 2010 г.). «Космическая микробиология» . Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 74 (1): 121–156. Бибкод : 2010MMBR...74..121H . дои : 10.1128/MMBR.00016-09 . ПМЦ 2832349 . ПМИД 20197502 .
- ^ Раббоу, Эльке; Хорнек, Герда; Реттберг, Петра; и др. (декабрь 2009 г.). «EXPOSE, установка астробиологического облучения на Международной космической станции - от предложения до полета». Происхождение жизни и эволюция биосфер . 39 (6): 581–598. Бибкод : 2009ОЛЕВ...39..581Р . дои : 10.1007/s11084-009-9173-6 . ПМИД 19629743 . S2CID 19749414 .
- ^ Онофри, Сильвано; де ла Торре, Роза; де Вера, Жан-Пьер; и др. (май 2012 г.). «Выживание камнеколонизирующих организмов после 1,5 лет в космическом пространстве». Астробиология . 12 (5): 508–516. Бибкод : 2012AsBio..12..508O . дои : 10.1089/ast.2011.0736 . ПМИД 22680696 .
- ^ Стрикленд, Эшли (26 августа 2020 г.). «Согласно новому исследованию, бактерии с Земли могут выжить в космосе и выдержать путешествие на Марс» . Новости CNN . Проверено 26 августа 2020 г. .
- ^ Кавагути, Юко; и др. (26 августа 2020 г.). «Повреждение ДНК и динамика выживания гранул дейнококковых клеток в течение 3 лет воздействия космического пространства» . Границы микробиологии . 11 : 2050. doi : 10.3389/fmicb.2020.02050 . ПМЦ 7479814 . ПМИД 32983036 . S2CID 221300151 .
- ^ Леб, Авраам (2014). «Обитаемая эпоха ранней Вселенной». Международный журнал астробиологии . 13 (4): 337–339. arXiv : 1312.0613 . Бибкод : 2014IJAsB..13..337L . CiteSeerX 10.1.1.748.4820 . дои : 10.1017/S1473550414000196 . S2CID 2777386 .
- ^ Дрейфус, Клаудия (2 декабря 2014 г.). «Широко обсуждаемые взгляды, уходящие корнями в далекое прошлое» . Нью-Йорк Таймс . п. Д2. Архивировано из оригинала 3 декабря 2014 года . Проверено 3 декабря 2014 г.
- ^ Циммер, Карл (12 сентября 2013 г.). «Расширенная возможность возникновения жизни» . Нью-Йорк Таймс . Нью-Йорк. Архивировано из оригинала 8 июля 2015 года . Проверено 15 июня 2015 г.
- ^ Уэбб, Ричард (29 августа 2013 г.). «Первичный бульон жизни представлял собой чашку сухого марсианского супа» . Новый учёный . Архивировано из оригинала 24 апреля 2015 года . Проверено 16 июня 2015 г.
- ^ Вэньтао Ма; Чуньу Юй; Вэньтао Чжан; и др. (ноябрь 2007 г.). «Нуклеотидсинтетазные рибозимы, возможно, появились первыми в мире РНК» . РНК . 13 (11): 2012–2019. дои : 10.1261/rna.658507 . ПМК 2040096 . ПМИД 17878321 .
- ^ Шелдон 2005
- ^ Леннокс 2001 , стр. 229–258.
- ^ Jump up to: а б Бернал 1967 г.
- ^ Бальме, DM (1962). «Развитие биологии у Аристотеля и Теофраста: теория спонтанного зарождения». Фронезис . 7 (1–2): 91–104. дои : 10.1163/156852862X00052 .
- ^ Росс 1652 г.
- ^ Добелл 1960
- ^ Фермер 1999 г.
- ^ Левин, Р.; Эверс, К. «Медленная смерть спонтанного зарождения (1668-1859)» . Архивировано из оригинала 26 апреля 2008 года . Проверено 18 апреля 2013 г.
- ^ Опарин 1953 , с. 196
- ^ Тиндаль 1905 , IV, XII (1876), XIII (1878)
- ^ Дарвин, Чарльз (29 марта 1863 г.). «Дж. Д. Хукеру [29 марта 1863 г.]» . Дарвиновский заочный проект . Кембриджский университет . Проверено 21 июня 2021 г.
- ^ Бахадур, Кришна (1973). «Фотохимическое образование самоподдерживающихся коацерватов» (PDF) . Труды Индийской национальной академии наук . 39 (4): 455–467. дои : 10.1016/S0044-4057(75)80076-1 . ПМИД 1242552 . Архивировано из оригинала (PDF) 19 октября 2013 года.
- Бахадур, Кришна (1975). «Фотохимическое образование самоподдерживающихся коацерватов». Центральный журнал бактериологии, паразитологии, инфекционных болезней и гигиены . 130 (3): 211–218. дои : 10.1016/S0044-4057(75)80076-1 . OCLC 641018092 . ПМИД 1242552 .
- ^ Кастинг 1993 , с. 922
- ^ Кастинг 1993 , с. 920
- ^ Бернал 1967 , стр. 199–234], [ http://www.valencia.edu/~orilife/textos/The%20Origin%20of%20Life.pdf Происхождение жизни (А.И. Опарин, 1924)
- ^ Опарин 1953 г.
- ^ Брайсон 2004 , стр. 300–302.
- ^ Шапиро 1987 , с. 110
- ^ Бернал 1951
- ^ Мартин, Уильям Ф. (январь 2003 г.). «О происхождении клеток: гипотеза эволюционных переходов от абиотической геохимии к хемоавтотрофным прокариотам и от прокариотов к ядросодержащим клеткам» . Фил. Пер. Р. Сок. Лонд. А. 358 (1429): 59–83. дои : 10.1098/rstb.2002.1183 . ПМК 1693102 . ПМИД 12594918 .
- ^ Бернал, Джон Десмонд (сентябрь 1949 г.). «Физическая основа жизни». Труды Физического общества, раздел А. 62 (9): 537–558. Бибкод : 1949PPSA...62..537B . дои : 10.1088/0370-1298/62/9/301 .
- ^ Кауфман 1995
- ^ Миллер, Стэнли Л. (15 мая 1953 г.). «Производство аминокислот в возможных условиях примитивной Земли». Наука . 117 (3046): 528–529. Бибкод : 1953Sci...117..528M . дои : 10.1126/science.117.3046.528 . ПМИД 13056598 .
- ^ Паркер, Эрик Т.; Кливс, Хендерсон Дж.; Дворкин, Джейсон П.; и др. (5 апреля 2011 г.). «Первоначальный синтез аминов и аминокислот в H 2 эксперименте Миллера 1958 года с искровым разрядом, богатым S» . ПНАС . 108 (14): 5526–5531. Бибкод : 2011PNAS..108.5526P . дои : 10.1073/pnas.1019191108 . ПМК 3078417 . ПМИД 21422282 .
- ^ Цюрих, Эт (29 ноября 2020 г.). «Раскрытие тайн первозданной атмосферы Земли 4,5 миллиарда лет назад и возникновения жизни» . Проверено 30 ноября 2020 г. .
- ^ Гесс, Бенджамин; Пьязоло, Сандра; Харви, Джейсон (2021). «Удары молний как главный фактор сокращения пребиотического фосфора на ранней Земле» . Природные коммуникации . 1535 (1): 1535. Бибкод : 2021NatCo..12.1535H . дои : 10.1038/s41467-021-21849-2 . ПМЦ 7966383 . ПМИД 33727565 . S2CID 232260119 .
Источники
[ редактировать ]- Бернал, доктор юридических наук (1951). Физическая основа жизни . Лондон: Рутледж и Кеган Пол. LCCN 51005794 .
- Бернал, JD (1967) [Перепечатанная работа А. И. Опарина, первоначально опубликованная в 1924 году; Москва: Московский рабочий . Происхождение жизни . Естественная история Вайденфельда и Николсона. Перевод «Опарина» Энн Синг. Лондон: Вайденфельд и Николсон . LCCN 67098482 .
- Бондесон, Ян (1999). Русалка Фиджи и другие очерки естественной и неестественной истории . Итака, Нью-Йорк: Издательство Корнельского университета . ISBN 978-0-8014-3609-3 . LCCN 98038295 .
- Брайсон, Билл (2004). Краткая история почти всего . Лондон: Черный лебедь . ISBN 978-0-552-99704-1 . OCLC 55589795 .
- Добелл, Клиффорд (1960) [Первоначально опубликовано в 1932 году; Нью-Йорк: Harcourt, Brace & Company ]. Антоний ван Левенгук и его «Маленькие животные» . Нью-Йорк: Dover Publications . LCCN 60002548 .
- Кастинг, Джеймс Ф. (12 февраля 1993 г.). «Ранняя атмосфера Земли» (PDF) . Наука . 259 (5097): 920–926. Бибкод : 1993Sci...259..920K . дои : 10.1126/science.11536547 . ПМИД 11536547 . S2CID 21134564 . Архивировано из оригинала (PDF) 10 октября 2015 года . Проверено 28 июля 2015 г.
- Кауфман, Стюарт (1995). Дома во Вселенной: поиск законов самоорганизации и сложности . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-509599-9 . LCCN 94025268 .
- Леннокс, Джеймс Г. (2001). Философия биологии Аристотеля: исследования истоков науки о жизни . Кембриджские исследования по философии и биологии. Кембридж, Великобритания; Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-65976-5 . LCCN 00026070 .
- Опарин, А.И. (1953) [Первоначально опубликовано в 1938 году; Нью-Йорк: Компания Macmillan ]. Происхождение жизни . Перевод и новое введение Сергия Моргулиса (2-е изд.). Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN 978-0-486-49522-4 . LCCN 53010161 .
- Росс, Александр (1652). Арканы Микрокосма . Том. Книга II. Лондон . Проверено 7 июля 2015 г.
- Шапиро, Роберт (1987). Происхождение: Путеводитель скептика по созданию жизни на Земле . Торонто; Нью-Йорк: Bantam Books . ISBN 978-0-553-34355-7 .
- Шелдон, Роберт Б. (22 сентября 2005 г.). Гувер, Ричард Б .; Левин, Гилберт В .; Розанов Алексей Юрьевич; Гладстон, Дж. Рэндалл (ред.). Историческое развитие различия между био- и абиогенезом (PDF) . Астробиология и планетарные миссии . Том. 5906. Беллингем, Вашингтон: SPIE. дои : 10.1117/12.663480 . ISBN 978-0-8194-5911-4 . LCCN 2005284378 . Проверено 13 апреля 2015 г. Материалы SPIE состоялись в Сан-Диего, Калифорния, 31 июля – 2 августа 2005 г.
- Тиндаль, Джон (1905) [Первоначально опубликовано в 1871 году; Лондон; Нью-Йорк: Longmans , Green & Co.; Д. Эпплтон и компания ]. Фрагменты науки . Том. 2 (6-е изд.). Нью-Йорк: PF Collier & Sons . OCLC 726998155 . Проверено 6 июня 2015 г.