Теорії зародження життя у Всесвіті
Курсова робота на тему:
Теорії зародження життя у Всесвіті
План
Вступ
1. Теорія самозародження життя
2. Подальший розвиток теорії зародження: Панспермія
3. Теорія хімічної еволюції
4. Вплив різних критеріїв на зародження життя
Висновок
Список використаної літератури
Вступ
Відкриття життя за межами Землі розширило б уявлення про її походження. І якби в основі нових форм життя знаходився вуглець, то це допомогло б з'ясувати, чи можуть генетичні системи будуватися з яких-небудь інших молекул, чим відомі нам нуклеїнові кислоти і білки. Це дозволило б також відповісти на питання, чи може якийсь інший розчинник замінити воду в жвавій системі.
Якби виявлені за межами Землі організми корінним чином відрізнялися від нас по своєму хімічному складу, то це свідчило б про те, що життя в різних частках Сонячної системи зародилося незалежно, принаймні двічі. Але якби позаземні організми опинилися в своїй основі схожими на нас з схожими білками і нуклеїновими кислотами, з тією ж оптичною ізомерією і з таким же генетичним кодом, то ми зіткнулися б з новою проблемою. В цьому випадку довелося б укласти, що життя або зародилася незалежно двічі, або один раз, але потім жваві організми були перенесені з однієї планети на іншу.
Таким чином, основна мета даної роботи полягає у дослідженні особливостей зародження життя у всесвіті.
1. Теорія самозародження життя
Гіпотеза самозародження полягає в тому, що жваві предмети безперервно і мимоволі виникають з неживої матерії, скажемо з грязі, роси або гниючої органічної речовини. Вона ж розглядує випадки, коли одна форма життя трансформується безпосередньо в іншу, наприклад зерно перетворюється на мишу. Ця теорія панувала з часів Арістотеля (384 - 322 р. до н. е) і до середини XVII ст., самозародження рослин і тварин зазвичай приймалося як реальність. У подальші два століття вищі форми життя були виключені із списку передбачуваних продуктів самозародження, він обмежився мікроорганізмами.
Література того часу рясніла рецептами отримання черв'яків, мишей, скорпіонів, вугрів і так далі, а пізніше за мікроорганізмів.
Як говорять історики, науку створили древні греки, а отцем біології був Арістотель. Дійсно, він вніс до біології раціональний початок, властивий старогрецьким мислителям, суть якого полягала в тому, що людина, спираючись на силу свого розуму, здатна зрозуміти явища жвавої природи. Він займався спостереженнями явищ природи, особливо жвавої. Але в цій області його висновку ненадійні. І хоча деякі описи Арістотеля, що зокрема відносяться до поведінки тварин, вельми цікаві, його біологічні спостереження повні помилок і неточностей. Багато що з того, про що він писав, засновано, ймовірно, тільки на чутках.
Арістотель добре знав, що багато комах мають складний цикл розвитку і, перш ніж стати дорослими, проходять через стадії личинки і лялечки. Але хоча в своєму описі генезису двох видів комах він допускає явні помилки, його думки строго логічні. Самозародження не відповідало б здоровому глузду, його існування було б сумнівним, якби виниклі в результаті цього процесу види могли нормально відтворюватися. Отже, говорить Арістотель, ці істоти при своєму спаровуванні проводять щось “невимовне”, що і обумовлює постійну необхідність самозародження.
На XVI ст., епоху панування релігійних забобонів, доводиться розквіт класичного вчення про самозародження. Його дуже активно розвивала в цей час лікарка і природодослідник Парацельс (1493 - 1541) і його послідовник Ян Баптіст Ван Гельмінт (1579 - 1644). Останній запропонував “метод виробництва" мишей з пшеничних зерен, поміщених в глек разом з брудною білизною, на який багато разів посилалися надалі.
У своїй роботі, вперше опублікованій в 1558 р. під назвою “Магія природи", Джамбатіста Делла Порта приводить ще більше відомостей про самозародження. Цей неаполітанський учений-любитель був засновником і віце-президентом Академії Дєї Лінчей - одного з найперших в світі наукових суспільств. Його книга, що містила популярний опис деяких технічних чудасій, чудес природи і всяких розиграшів, була перекладена декілька мов. Ось уривки з її англійського видання, опублікованого в Лондоні в 1658 г.:
У Дарієне, розташованому в одній з провінцій Нового світла, дуже хворе повітря, місце брудне, повне смердючих боліт, більш того, саме село є болотом, де, по опису Петера Мартіра, жаби виводяться з крапель рідини. Крім того, вони народжуються з качиних трупів, що гниють в грязі; є навіть вірші, де качка говорить: “Коли мене гноять в землі, я жаб проводжу на світло..."
Грек Флорентінус стверджував, що якщо пожувати базилік, а потім покласти його на сонці, то з нього з'являться змії. А Пліній при цьому додавав, що якщо базилік потерти і покласти під камінь, то він перетвориться на скорпіона, а якщо пожувати і покласти на сонці-то в черв'яка.
Відмічено, що різна грязь проводить на світло різних тварин: темна грязь породжує устриці, червонувата - морських равликів, грязь, що утворилася з гірських порід, - голотурій, гусаків і тому подібне Як показав досвід, брюхоногі зароджуються в гниючих дерев'яних загородках, що служать для лову риби, і як тільки зникають загородки, пропадають і ці молюски.
Класичне вчення про самозародження разом з багатьма іншими освяченими століттями фантастичними уявленнями було поховано в епоху Відродження. Його скиданням став Франческо Реді (1626 - 1697), фізик-експериментатор, відомий поет і один з перших учених-біологів сучасної формації, він був фігурою, типовою для епохи пізнього Відродження. Книгу Реді “Досліди по самозародженню комах" (1668), яка в основному і створила йому наукову репутацію, відрізняють здоровий скептицизм, тонка спостережливість, прекрасна манера викладу результатів. Хоча головним об'єктом його досліджень були комахи, він вивчав також зародження скорпіонів, жаб, жаб, павуків і перепелів. Реді не лише не підтвердив поширене тоді думка про самозародження перерахованих тварин, а, навпроти, в більшості випадків продемонстрував, що насправді вони народжуються із запліднених яєць. Таким чином, результати його ретельно проведених дослідів спростували уявлення, що сформувалися протягом 20 століть.
Книга Реді протягом 20 років перевидавалася п'ять разів, і в результаті знайомства з нею все більш широкого круга освічених людей віра в можливість самозародження тварин поступово зникла. Проте це питання знову виникло, хоча вже на іншому рівні, приблизно в 1675 р., услід за відкриттям мікроорганізмів голландцем Антоні ван Льовенгуком (1632 - 1723). Це відкриття стало можливим завдяки удосконаленню в XVII ст. техніки виготовлення лінз. Лава важливих відкриттів, зроблених Льовенгуком протягом його довгого життя, створили йому популярність, і він по праву вважається за один з основоположників наукової мікроскопії.
Мікроорганізми настільки малі і, здається, так просто організовані, що з самого їх відкриття широко розповсюдилася думка, ніби вони є продуктами розпаду, що належать до нечітко позначеної проміжної області між жвавим і неживим. Таким чином, питання про самозародження знов опинилося в центрі уваги в знаменитій полеміці XVIII ст., Дж, що розгорілася між англійським священиком. Т. Нідхемом (1713 - 1781) і італійським натуралістом абатом Ладзаро Спалланцані (1729 - 1799). Нідхем стверджував, що якщо баранячу підливку і подібні нею настої спочатку нагрівати, а потім герметично закрити в судині з невеликою кількістю повітря, то протягом декількох днів вони обов'язково породжують мікроорганізми і розкладаються. Він вважав, що раз нагрівання досліджуваного об'єкту вбиває всі організми, що раніше існували в нім, то, отже, отриманий результат служить доказом самозародження. Повторюючи експерименти Нідхема, Спалланцані показав, що якщо колби нагрівати після закупорювання, то в них не виникає ніяких організмів і не відбувається гниття, як довго б вони не зберігалися.
Нідхем заявив у відповідь, що надмірне нагрівання зруйнувало усередині закритої судини що міститься в повітрі життєво важливий елемент, без якого самозародження неможливе. Методи газового аналізу у той час були ще недостатньо розвинені, щоб вирішити цю суперечку. Насправді виявилось, що результат, отриманий Нідхемом, був наслідком прихованої помилки, виявити яку не удалося протягом цілого століття. Відомі учені XIX ст, включаючи Жозефа Луї Гей-Люссака, Теодора Шванна, Германа фон Гельмгольца, Луї Пастера і Джона Тіндаля, були залучені в цю суперечку. Великий французький хімік Гей-Люссак підтримав точку зору Нідхема, виявивши, що з нагрітого у присутності органічної речовини повітря кисень зникає, а його відсутність - необхідна умова консервації продуктів. Проте вирішальний експеримент, тобто експеримент Реді, але виконаний з мікроорганізмами, залишився невиконаним.
Питання, здавалося б, просте: чи ростимуть в стерилізованому органічному настої мікроорганізми у присутності повітря, з якого видалені всі мікроби? Але експериментальна техніка, що існувала у той час, не дозволяла дати переконливу відповідь. Оскільки проблема самозародження мала велике загальносвітоглядне і практичне значення, розгорілися бурхливі дискусії.
Пристрасті досягли кульмінації в 1859 р., коли Фелікс Пуше (1800-1872), директор Музею природної історії, в Руане опублікував книгу, де знов повідомлялося про експериментальне підтвердження самозародження.
Тіндаль винайшов метод стерилізації розчинів, що містять спори бактерій, здатні виживати в киплячій воді; цей метод до цих пір відомий під назвою “тиндалізація". Досліди Тіндаля були настільки оригінальними, а його підтримка поглядів Пастера настільки енергійною, що він по праву розділяє з Пастером славу скидання вчення про самозародження.
Дослідження Пастера і Тіндаля знайшли ще одне практичне застосування. Його запропонував їх сучасник хірург Лістер (1827-1912), добре знайомий з роботами цих учених, Лістер висловив думку, що якби операційне поле на тілі хворого удалося ізолювати від мікроорганізмів, що потрапляють з повітря, то це врятувало б життя багатьом оперованим. В ті часи в англійських лікарнях смертність при ампутації досягала 25-50% - головним чином унаслідок зараження. При операціях в польових умовах під час військових кампаній справа йшла ще гірше. Так, в ході франко-пруської війни з 13 тис. ампутацій, проведених французькими хірургами, не менше 10 тис. мало смертельний результат! Поки зберігалася віра в самозародження мікробів, не було причин видаляти їх з рани. Проте після відкриття Пастера Лістер зрозумів, що носіїв інфекції необхідно знищувати перш, ніж вони потраплять на операційне поле. І Лістер добився успіху, застосувавши карболову кислоту (фенол) як антибактеріальний засіб. Він стерилізував інструменти, обприскував кабінет і навіть просочував одяг хворого розчином фенолу. Прийняті заходи дали відмінні результати, що привело до народження антисептичної хірургії.
2. Подальший розвиток теорії зародження: Панспермія
Вчення про самозародження поступово вмирало впродовж століть, і те, що воно було остаточно поховане Пастером і Тіндалем, навряд чи може здивувати сучасних учених. Але не існувало теорії, здатної зайняти його місце. Неважко уявити, що в XIX ст. при надзвичайно низькому рівні знань про хімічну організацію жвавої матерії, всякий, хто спробував би думати про походження життя, був приречений на невдачу. Як відмітив в 1863 р. Дарвін в листі Гукеру, “суща дурниця - міркувати зараз про походження життя; з тим же успіхом можна було б міркувати про походження матерії".
Дуже мало було у той час відомо про природу життя і історії Землі, щоб міркувати про походження життя. Проте крах вчення про самозародження привів деяких відомих учених до думки, що життя ніколи не виникало, а, як матерія або енергія, існувала вічно. Згідно цьому уявленню, “зародки життя" блукають в космічному просторі до тих пір, поки не потрапляють на відповідну за своїми умовами планету - там вони і дають початок біологічної еволюції. Цю ідею підтримували Герман ван Гельмгольц (1821 - 1894) і Уїльям Томсон (пізніше лорд Кельвін; 1824 1907) - найзнаменитіші фізики XIX ст. Гельмгольц, що особисто ставив досліди по вивченню самозародження бактерій. У лекції, прочитаній в 1871 р. він, говорив:
“Я не зможу заперечити, якщо хто-небудь рахуватиме дану гіпотезу у великій або навіть дуже великому ступеню неправдоподібному. Але мені здається, що у випадку, якщо всі наші спроби отримати жваві організми з неживої матерії проваляться, з наукової точки зору правомочно поставити питання:
чи виникало життя коли-небудь взагалі або ж її зародки переносяться з одного світу в іншій і розвиваються всюди, де є відповідні умови? ”
Декількома місяцями пізніше Томсон висловив дуже схожу думку в своєму президентському обігу до Британської асоціації розвитку науки:
“Достатньо точними експериментами, проведеними до теперішнього часу, показано, що будь-якій формі життя завжди передує життя. Мертва матерія не здатна перетворитися на жваву, не випробувавши заздалегідь дії жвавої матерії. Мені це представляється такою ж безперечною науковою істиною, як закон усесвітнього тяжіння. Я готовий прийняти як науковий постулат, справедливий завжди і всюди, твердження, що життя породжується тільки життям і нічим, окрім життя. Але як же тоді сталося життя на Землі?"
Далі він говорив про те, що у Всесвіті повинне існувати багато інших світів, що несуть життя, які час від часу руйнуються при зіткненні з іншими космічними тілами, а їх уламки з жвавими рослинами і тваринами розсіваються в просторі.
Отже, ймовірно, що в космосі рухається незліченна безліч метеоритних каменів, що несуть насіння життя. Якби в даний час життя на Землі не існувало, то один такий камінь, що впав на неї, міг би стати так званою природною причиною виникнення життя, внаслідок чого Земля покрилася б рослинністю... Гіпотеза про те, що життя на Землі сталося завдяки таким обламанням стародавніших світів, може показатися дикою і фантастичною; проте із цього приводу я можу лише стверджувати, що вона не є ненауковою.
Ця ідея була ретельно розроблена в 1908 р. шведським хіміком Сванте Арреніусом (1859 - 1927), який назвав свою теорію панспермією. Розвиваючи ідеї Гельмгольца і Кельвіна, він висловив декілька власних міркувань, передбачивши, що бактерійні спори і віруси можуть нестися з планети, де вони існували, під дією електростатичних сил, а потім переміщатися в космічний простір під тиском світла зірок. Знаходячись в космічному просторі, спора може осісти на частку пилу; збільшивши тим самим свою масу і здолавши тиск світла, вона може потрапити в околиці найближчої зірки і буде захоплена одній з планет цієї зірки. Таким чином, жвава матерія здатна переноситися з планети на планету, з однієї зоряної системи в іншу. Як указував Ареніус, з цієї теорії, зокрема, витікає, що всі жваві істоти у Всесвіті мають бути хімічно споріднені.
Теорія панспермії спирається на два твердження. Перше з них полягає в тому, що життя існувало завжди, тобто вона нерозривно пов'язана з матерією. Зараз ми можемо з упевненістю сказати, що ця думка помилкова. Життя на відміну від матерії і енергії не належить до фундаментальних властивостей Всесвіту; вона швидше є проявом певних комбінацій молекул, які не могли існувати вічно, оскільки не завжди існували навіть елементи, з яких вони складаються. Космологи вважають, що Всесвіт спочатку складався з найлегшого елементу-водню або з нейтронів - фундаментальних часток, що мають приблизно таку ж масу, як атом водню. Всі елементи важче за водень утворилися (і утворюються в зірках до цих пір) з водню в реакціях ядерного синтезу. Ці реакції служать головним джерелом зоряної енергії. Хоча за час існування спостережуваного Всесвіту (по оцінках 10 - 15 млрд. років) частка водню була витрачена, він до цих пір залишається найбільш поширеним елементом. Близько 90% атомів спостережуваного Всесвіту (що складає близько 60% її маси) доводиться на водень, решта частки це в основному гелій, елемент, наступний по масі за воднем. Але оскільки окрім водню для організації жвавої матерії необхідні і інші елементи, життя не може бути “ровесницею" Всесвіту - вона повинна була виникнути набагато пізніше.
Друге затвердження теорії панспермії, згідно якому спори можуть і повинні переноситися через космічний простір, в наші дні представляється набагато менш правдоподібним, чим це здавалося Ареніусу. Спільна дія ультрафіолетового і рентгенівського випромінювань, а також космічних променів, яким організми неминуче повинні піддаватися в космосі, набагато небезпечніше, а міжзоряні відстані і, отже, час, необхідний для переміщення, значно більше, чим передбачав Ареніуса. Але зараз ми маємо в своєму розпорядженні також дані, що свідчать про те, що спори, які б могли засівати Всесвіт, не здатні ні покидати Землю, ні проникати в її околиці. У зразках грунту, доставлених з Луни американськими астронавтами під час польотів кораблів “Аполлон", не виявлено мікроорганізмів, хоча передбачалося, що Луна може “уловлювати" значне число часток, що покидають Землю або що потрапляють в її околиці з інших областей космічного простору. Біологічні аналізи зразків місячного грунту не виявили ніяких організмів, здатних вижити в довгих космічних подорожах, і до цих пір всі подібні дослідження дають лише негативні результати. За час існування Сонячної системи (близько 4,5 млрд. років) спори (якщо вони існують) повинні були потрапити і на Марс.
Не дивлячись на факти, що свідчать проти теорії панспермії, вона продовжує жити. Останніми роками відомий американський астрофізик і письменник-фантаст Фред Хойл разом зі своїм співробітником Чандром Вікрамасингхом прийшли до неймовірного висновку, що не менше 80% часток міжзоряного пилу складаються з кліток бактерій і морських водоростей. Їх припущення засноване на вивченні оптичних властивостей часток міжзоряного пилу. Згідно оцінкам, її маса в нашій Галактиці приблизно в 5 млн. разів перевершує масу Сонця. З цієї точки зору Земля майже млява в порівнянні з міжзоряним простором. Услід за Арреніусом Хойл і Вікрамасингх називають ці клітки міжпланетними “стрибунами".
Зовсім недавно деякі учені запропонували оновлений варіант теорії панспермії. Згодне йому, життя на Землю знову-таки занесене з космічного простору, але не випадково, як передбачає класична теорія панспермії, а “доставлена" на міжзоряному космічному кораблі, відправленому розумними істотами з якоїсь жилої планети, що належить іншій зоряній системі. Ця теорія передбачає, що життя не існувало вічно, як рахували Гельмгольц. Кельвін і Ареніус, а зародилася в результаті складного ланцюга хімічних перетворень. На примітивній Землі не було відповідних умов для зародження життя; тому життя, що існує нині на нашій планеті, спочатку виникло десь у іншому місці Галактики, де умови були сприятливими. Найдетальніше ця гіпотеза, що отримала назву направленої панспермії, була розроблена Френсисом Кріком і Леслі Оргелом. Крик і Оргел доводять, що з моменту утворення Всесвіту минув достатньо часу, щоб в Галактиці могла сформуватися технічно розвинена цивілізація, яка з невідомих нам причин близько 4 млрд. років назад свідомо заселила Землю мікроорганізмами, доставленими автоматичним космічним апаратом.
Теорія направленої панспермії входить складовою частиною в широку дискусію, що розвернулася нині, про можливість існування в нашій Галактиці позаземних цивілізацій. Але хоча в цій проблемі залишається ще багато неясного, останніми роками спостерігається помітний відхід від спрощеного уявлення, що існувало на зорі космічної ери, згідно якому Галактика просто “кишить" технологічно розвиненими суспільствами, які існують на планетах земного типа в інших зоряних світах. Як теоретичні доводи, так і результати останніх досліджень Сонячної системи показали, що придатні для життя планети, мабуть, достатньо рідкі. Інші міркування приводять до виводу, що будь-яка цивілізація, знайшовши здібність до міжзоряних польотів, повинна швидко (у масштабі геологічного часу) розповсюджуватися по всій Галактиці.
3. Теорія хімічної еволюції
Теорія хімічної еволюції - сучасна теорія походження життя також спирається на ідею самозародження. У основі її лежить не раптове виникнення жвавих істот на Землі, а утворення хімічних сполук і систем, які складають жваву матерію. Вона розглядує хімію якнайдавнішої Землі, перш за все хімічні реакції, що протікали в примітивній атмосфері і в поверхневому шарі води, де, ймовірно, концентрувалися легкі елементи, складові основу жвавої матерії, і поглиналася величезна кількість сонячної енергії. Ця теорія намагається відповісти на питання: яким чином в ту далеку епоху могли мимоволі виникнути і сформуватися в жваву систему органічні сполуки?
Теорія Опаріна - Юрі. Спільний підхід до хімічної еволюції першим сформулював радянський біохімік А.І. Опарін (1894 - 1980). У 1924 р. в СРСР була опублікована його книга, присвячена цьому питанню; у 1936 р. вийшло в світ її нове, доповнене видання. Опарін звернув увагу на те, що сучасні умови на поверхні Землі перешкоджають синтезу великої кількості органічних сполук, оскільки вільний кисень, наявний в надлишку в атмосфері, окислює вуглецеві з'єднання до діоксиду вуглецю (вуглекислого газу, Со2). Крім того, він відзначав, що у наш час будь-яка органічна речовина, “кинута на свавілля” на землі, використовується жвавими організмами (подібну думку висловлював ще Чарльз Дарвін). Проте, затверджував Опарін, на первинній Землі панували інші умови. Можна вважати, що в земній атмосфері того часу був відсутній кисень, але удосталь були водень і гази, що містять водень, такі, як метан (Сн4) і аміак (Мн3). (Подібну атмосферу, багату воднем і бідну киснем, називають відновною на відміну від сучасної, окислювальної, атмосфери, багатої киснем і бідною воднем) На думку Опаріна, такі умови створювали прекрасні можливості для мимовільного синтезу органічних сполук.
Обгрунтовувавши свою ідею про відновний характер примітивної атмосфери Землі, Опарін висував наступні аргументи.
Водень удосталь присутній в зірках.
Вуглець виявляється в спектрах комет і холодних зірок у складі радикалів СН і CN, а окислений вуглець виявляється рідко.
Вуглеводні, тобто з'єднання вуглецю і водню, зустрічаються в метеоритах.
Атмосфери Юпітера і Сатурну надзвичайно багаті метаном і аміаком.
Як указував Опарін, ці чотири пункти свідчать про те, що Всесвіт в цілому знаходиться у відновному стані. Отже, на первісній Землі вуглець і азот повинні були знаходитися в такому ж стані.
У вулканічних газах міститься аміак. Це, вважав Опарін, говорить про те, що азот був присутній в первинній атмосфері у вигляді аміаку.
Кисень, що міститься в сучасній атмосфері, виробляється зеленими рослинами в процесі фотосинтезу, і, отже, по своєму походженню це біологічний продукт.
На підставі цих міркувань Опарін прийшов до висновку, що вуглець на примітивній Землі вперше з'явився у вигляді вуглеводнів, а азот у вигляді аміаку. Далі він висловив припущення, що в ході відомих нині хімічних реакцій на поверхні млявої Землі виникали складні органічні сполуки, які після задоволеного тривалого періоду часу, мабуть, і дали початок першим жвавим істотам. Перші організми, ймовірно, були дуже простими системами, здібними лише до реплікації (діленню) за рахунок органічної середи, з якої вони утворилися. Виражаючись сучасною мовою, вони були “гетеротрофами", тобто залежали від навколишнього середовища, яке забезпечувало їх органічним живленням. На протилежному кінці цієї шкали знаходяться “автотрофи”, наприклад, такі організми, як зелені рослини, які самі синтезують всі необхідні органічні речовини з діоксиду вуглецю, неорганічного азоту і води. Згідно теорії Опаріна, автотрофи з'явилися тільки після того, як гетеротрофи виснажили запас органічних сполук в примітивному океані.
Дж. Б.С. Холдейн (1892 - 1964) висунув ідею, в деякому відношенні схожу з поглядами Опаріна, яка була викладена в популярному нарисі, опублікованому в 1929 р. Він передбачив, що органічна речовина, синтезована в ході природних хімічних процесів, що протікали на передбіологічній Землі, накопичувалася в океані, який, врешті-решт, досяг консистенції “гарячого розбавленого бульйону". На думку Холдейна, примітивна атмосфера Землі була анаеробною (вільною від кисню), проте він не стверджував, що для здійснення синтезу органічних сполук були потрібні відновні умови. Таким чином, він допускав, що вуглець міг бути присутнім в атмосфері в повністю окисленій формі, тобто у вигляді діоксиду, а не у складі метану або інших вуглеводнів. При цьому Холдейн посилався на результати експериментів (не власних), в яких доводилася можливість утворення складних органічних сполук з суміші діоксиду вуглецю, аміаку і води під дією ультрафіолетового випромінювання. Проте надалі всі спроби повторити ці експерименти виявилися безуспішними.
У 1952 р. Гарольд Юрі (1893 - 1981), займаючись не власне проблемами походження життя, а еволюцією Сонячної системи, самостійно прийшов до висновку, що атмосфера молодої Землі мала відновлений характер. Підхід Опаріна був якісним. Проблема, яку досліджував Юрі, була по своєму характеру фізико-хімічною: використовуючи як відправну крапку дані про склад первинної хмари космічного пилу і граничні умови, визначувані відомими фізичними і хімічними властивостями Місяця і планет, він ставив за мету розробити термодинамічно прийнятну історію всієї Сонячної системи в цілому. Юрі, зокрема, показав, що до завершення процесу формування Земля мала сильно відновлену атмосферу, оскільки її основними складовими були водень і повністю відновлені форми вуглецю, азоту і кисню: метан, аміак і пари води. Гравітаційне поле Землі не могло утримати легкий водень і він поступово випарувався в космічний простір. Вторинним наслідком втрати вільного водню було поступове окислення метану до діоксиду вуглецю, а амміака - до газоподібного азоту, які через певний час перетворили атмосферу з відновної в окислювальну. Юрі передбачав, що саме в період випаровування водню, коли атмосфера знаходилася в проміжному окислювально-відновному стані, на Землі могло утворитися у великих кількостях складна органічна речовина. По його оцінках, океан, мабуть, був тоді однопроцентний розчин органічних сполук. В результаті виникло життя в її найпримітивнішій формі.
Вважається, що Сонячна система утворилася з протосонячної туманності величезної хмари газу і пилу. Вік Землі, як встановлено на основі лави незалежних оцінок, близький до 4,5 млрд. років. Щоб з'ясувати склад первинної туманності, найрозумніше досліджувати відносний вміст різних хімічних елементів в сучасній Сонячній системі.
Хоча чотири основні елементи Землі належать до дев'яти найбільш поширених на Сонці, по своєму складу наша планета істотно відрізняється від космічного простору в цілому. (Те ж саме можна сказати про Меркурій, Венеру і Марсе; проте Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун в цей список не потрапляють) Земля складається головним чином із заліза, кисню, кремнію і магнію. Очевидний дефіцит всіх біологічно важливих легких елементів (за винятком кисню) і вражаюча згідно теорії Опаріна - Юрі, необхідні для початку хімічної еволюції. Враховуючи дефіцит легких елементів і особливо благородних газів, розумно передбачити, що спочатку Земля сформувалася взагалі без атмосфери. За винятком гелію, всі благородні гази: неон, аргон, криптон і Ксенон - володіють достатньою питомою масою, щоб їх могло утримати земне тяжіння. Криптон і Ксенон, наприклад, важче за залізо. Оскільки ці елементи утворюють дуже мало з'єднань, вони, видно, існували в примітивній атмосфері Землі у вигляді газів і не могли випаруватися, коли планета досягла нарешті своїх нинішніх розмірів. Але оскільки на Землі їх міститься в мільйони разів менше, ніж на Сонці, природно допустити, що наша планета ніколи не мала атмосфери, по складу близької сонячної. Земля утворилася з твердих матеріалів, які містили лише невелику кількість поглиненого або адсорбованого газу, так що ніякої атмосфери спочатку не було. Елементи, що входять до складу сучасної атмосфери, мабуть, з'явилися на первісній Землі у вигляді твердих хімічних сполук; згодом під дією тепла, що виникає при радіоактивному розпаді або виділенні гравітаційної енергії, супроводжуючому аккрецію Землі, ці з'єднання розкладалися з утворенням газів. В процесі вулканічної діяльності ці гази виривалися із земних надр, утворюючи примітивну атмосферу.
Високий вміст в сучасній атмосфері аргону (близько 1%) не протирічить припущенню, що благородні гази спочатку були відсутні в атмосфері. Ізотоп аргону, поширений в космічному просторі, має атомну масу 36, тоді як атомна маса аргону, що утворився в земній корі при радіоактивному розпаді калія, рівна 40. Аномальний високий вміст на Землі кисню (в порівнянні з іншими легкими елементами) пояснюється тим, що цей елемент здатний з'єднуватися з безліччю інших елементів, утворюючи такі дуже стабільні тверді з'єднання, як силікати і карбонати, які входять до складу гірських порід.
Припущення Юрі про відновний характер первісної атмосфери грунтувалися на високому утриманні на Землі заліза (35% спільної маси). Він вважав, що залізо, з якого нині складається ядро Землі, спочатку було розподілене більш менш рівномірно за всім її обсягом. При розігріванні Землі залізо розплавилося і зібралося в її центрі. Проте, перш ніж це сталося, залізо, що міститься в тому шарі планети, який зараз називається верхньою мантією Землі, взаємодіяло з водою (вона була присутня на примітивній Землі у вигляді гідратованих мінералів, схожих на тих, що виявлені в деяких метеоритах); в результаті в первісну атмосферу виділилися величезні кількості водню.
Дослідження, здійснювані з початку 1950-х років, поставили під питання лаву положень описаного сценарію. Деякі планетології висловлюють сумніви щодо того, що залізо, зосереджене зараз в земній корі, могло коли-небудь рівномірно розподілятися за всім обсягом планети. Вони схиляються до думки, що аккреція відбувалася нерівномірно і залізо конденсувалося з туманності раніше інших елементів, створюючих нині мантію і кору Землі. Коротше кажучи, останніми роками були проаналізовані різні моделі освіти Землі, з яких одні в більшій, інші у меншій мірі узгоджуються з уявленнями про відновний характер ранньої атмосфери.
Спроби відновити події, що відбувалися на зорі формування Сонячної системи, неминуче зв'язані з безліччю невизначеністю. Проміжок часу між виникненням Землі і утворенням якнайдавніших порід, що піддаються геологічному датуванню, протягом якого протікали хімічні реакції, що привели до появи життя, складає 700 млн. років. Лабораторні досліди показали, що для синтезу компонентів генетичної системи необхідна середа відновного характеру; тому можна сказати, що раз життя на Землі виникло, то це може означати наступне: або примітивна атмосфера мала відновний характер, або органічні сполуки, необхідні для зародження життя, звідкись принесені на Землю. Оскільки навіть сьогодні метеорити приносять на Землю різноманітні органічні речовини, остання можливість не виглядає абсолютно фантастичною. Проте метеорити, мабуть, містять далеко не всі речовини, необхідні для побудови генетичної системи. Хоча речовини метеоритного походження, ймовірно, внесли істотний вклад до спільного фонду органічних сполук на примітивній Землі, в даний час здається найбільш правдоподібним, що умови на самій Землі мали відновний характер в такому ступені, що стало можливим утворення органічної речовини, що привело до виникнення життя.
4. Вплив різних критеріїв на зародження життя
Температура і тиск. Якщо припущення про те, що життя має бути заснована на хімії вуглецю, правильно, то можна точно встановити граничні умови для будь-якої середи, здатної підтримувати життя. Перш за все температура не повинна перевищувати межі стабільності органічних молекул. Визначити граничну температуру нелегко, але не вимагається точних цифр. Оскільки температурні ефекти і величина тиску взаємозалежні, їх слід розглядувати в сукупності. Прийнявши тиск рівним приблизно 1 атм. (як на поверхні Землі), можна оцінити верхню температурну межу життя, враховуючи, що багато невеликих молекул, з яких побудована генетична система, наприклад амінокислоти, швидко руйнуються при температурі 200-300°С. Виходячи з цього, можна укласти, що області з температурою вище 250°С нежилі. Реальна температурна межа життя майже напевно має бути нижче вказаного, оскільки великі молекули з складною тривимірною структурою, зокрема білки, побудовані з амінокислот, як правило, чутливіші до нагрівання, чим невеликі молекули. Для життя на поверхні Землі верхня температурна межа близька до 100°С, і деякі види бактерій за цих умов можуть виживати в гарячих джерелах. Проте переважна більшість організмів при такій температурі гинуть.
Може показатися дивним, що верхня температурна межа життя близька до точки кипіння води. Чи не обумовлений цей збіг саме тією обставиною, що рідка вода не може існувати при температурі вище за точку свого кипіння (100°С на земній поверхні), а не якимись особливими властивостями найжвавішої матерії?
Багато років тому Томас Д. Брок, фахівець з термофільних бактерій, висловив припущення, що життя може бути виявлена скрізь, де існує рідка вода, незалежно від її температури. Щоб підняти точку кипіння води, потрібно збільшити тиск, як це відбувається, наприклад, в герметичній каструлі-скороварці. Посилене підігрівання примушує воду кипіти швидше, не міняючи її температури. Природні умови, в яких рідка вода існує при температурі вище за її звичайну точку кипіння, виявлені в районах підводної геотермальної активності, де перегріта вода виливається із земних надр під спільною дією атмосферного тиску і тиску шару океанської води. У 1982 р. К.О. Стеттер виявив на глибині до 10 м в зоні геотермальної активності бактерії, для яких оптимальна температура розвитку складала 105°С.
Дійсно, виміри показали, що температура води в цьому місці складала 103°С. Отже, життя можливе і при температурах вище за нормальну точку кипіння води.
Очевидно, бактерії, здатні існувати при температурах біля 100°С, володіють “секретом”, якого позбавлені звичайні організми. Оскільки ці термофільні форми при низьких температурах ростуть погано або взагалі не ростуть, справедливо вважати, що і у звичайних бактерій є власний “секрет". Ключовою властивістю, що визначає можливість виживання при високих температурах, є здатність проводити термостабільні клітинні компоненти, особливо білки, нуклеїнові кислоти і клітинні мембрани. Біля білків звичайних організмів при температурах біля 60°С відбуваються швидкі і необоротні зміни структури, або денатурація. Як приклад можна привести згортання при вариві альбуміну курячого яйця (яєчного “білка”). Білки бактерій, що мешкають в гарячих джерелах, не випробовують таких змін до температури 90°С. Нуклеїнові кислоти також схильні до теплової денатурації. Молекула ДНК при цьому розділяється на дві складові її нитки. Зазвичай це відбувається в інтервалі температур 85-100°С залежно від співвідношення нуклеотидів в молекулі ДНК.
При денатурації руйнується тривимірна структура білків (унікальна для кожного білка), яка необхідна для виконання таких його функцій, як каталіз. Ця структура підтримується цілим набором слабких хімічних зв'язків, в результаті дії яких лінійна послідовність амінокислот, що формує первинну структуру білкової молекули, укладається в особливу, характерну для даного білка конформацію. Що підтримують тривимірну структуру зв'язку утворюються між амінокислотами, розташованими в різних частках білкової молекули. Мутації гена, в якому закладена інформація про послідовність амінокислот, характе