Походження життя¶

Походження життя — одна з найбільших відкритих загадок науки: на відміну від походження Всесвіту (яке пояснює Теорія Великого вибуху), остаточної підтвердженої теорії виникнення життя досі не існує. Сучасна наука спирається на кілька гіпотез походження життя, серед яких провідною є абіогенез — зародження живого з неживої матерії. Лекція «Частина 1» присвячена визначенню життя через його властивості та огляду наукових і ненаукових гіпотез походження; «Частина 2» розкриває молекулярні основи спадковості (ДНК/РНК), дилему «білок чи ген» (голобіоз/генобіоз), гіпотезу світу РНК, експеримент Міллера–Юрі, хронологію появи життя та концепцію спільного предка ЛУКИ.

Огляд (Overview)¶

Питання «що таке життя» не має чіткого загальноприйнятого визначення, оскільки життя — надто багатоманітне явище. Лектор пропонує тавтологічне робоче визначення: життя — це те, що має певні властивості живого. Перелічивши ці властивості, ми можемо застосувати їх до будь-якого об'єкта й визначити, чи є він живим. На основі цього критерію розглядаються перехідні форми (віруси), чотири концепції походження життя, молекулярні механізми спадковості (ДНК, РНК, білки), гіпотези первинності білка чи генетичного коду, експериментальні спроби відтворення абіогенезу та реальна хронологія виникнення життя на Землі (~3,7–3,8 млрд років тому) від спільного предка ЛУКИ (LUCA).

Ключові деталі / Підтеми¶

Властивості живого (ознаки життя)¶

Живі організми вирізняються сукупністю властивостей (не обов'язково в повному обсязі для кожного об'єкта):

Складність і впорядкованість: навіть найпростіша клітина (прокаріотична бактерія) набагато складніша за типові неживі об'єкти (кристал солі складається лише з атомів натрію та хлору). Простого життя не існує.
Отримання енергії з середовища: складні системи прагнуть до хаосу, тому для підтримання впорядкованості живе постійно споживає енергію (здебільшого сонячну, а на дні океанів — геотермальну). Необхідна зовнішня енергія — обернений бік складності.
Реакція на оточення: відповідь на зовнішнє подразнення — від хемотаксису бактерій до свідомої поведінки людини.
Самоускладнення: на відміну від неживого (камінь 3 млрд років лишається каменем), життя за той самий час пройшло шлях від прокаріотів і архей до багатоклітинних аеробних організмів.
Передача інформації нащадкам (спадковість): генетичний код у молекулі ДНК (нуклеотидна послідовність) визначає організм; код копіюється з випадковими змінами (мутаціями), що й породжує еволюцію.
Розмноження (самовідтворення): найголовніша ознака; втрата здатності розмножуватися (наприклад, убитий вірус у вакцині) позбавляє об'єкт статусу живого.
Пристосованість до середовища: будь-який живий організм (крім людини) добре відповідає умовам, у яких виник і еволюціонував. Людина — виняток, бо змінює середовище під себе.

Віруси як перехідна форма¶

Віруси — найхарактерніший приклад істот «посередині» між живим і неживим. Поза клітиною господаря вірус не обмінює енергією, не росте, не розмножується й не реагує на подразники — це фактично лише «креслення», генетичний код (переважно РНК, рідше ДНК). Усередині живого організму вірус починає рости, розмножуватися й еволюціонувати, використовуючи чужі ферменти. Тому питання «чи живі віруси» — радше термінологічне, а не наукове; саме через це антибіотики на віруси не діють, а захистом є вакцинація.

Гіпотези походження життя¶

Лектор виділяє чотири концепції; наголошує, що це гіпотези, а не доведені теорії:

Креаціонізм (створення життя Богом) — не наукова концепція, належить релігійному світогляду; «наукового креаціонізму» не існує. У курсі наукового образу світу не розглядається (див. також Псевдонаука).
Стаціонарний стан (життя існувало завжди, ніколи не виникало) — суперечить Теорії Великого вибуху (Всесвіту ~13,7–13,8 млрд років, на початку не було навіть атомів). Лектор залишає її як допустиму з мізерною ймовірністю (можливий перехід життя з попереднього Всесвіту).
Панспермія (позаземне походження) — наукова гіпотеза: зародки простих органічних молекул (ДНК, РНК, білків) могли потрапити на первинну Землю з метеоритами й космічним пилом. Проте вона лише зміщує час і місце виникнення, не відповідаючи на питання, як і де життя зародилося. Ця гіпотеза безпосередньо пов'язана з темою позаземного життя: якщо зародки життя заносилися на Землю, вони могли потрапити й на інші тіла Сонячної системи (Марс, Венера, супутники Титан, Європа, Енцелад), тож пошук слідів позаземного життя в межах Сонячної системи цілком логічний.
Абіогенез (живе виникло з неживого) — єдина група гіпотез, що досліджується сучасною наукою. Термін запровадив Томас Гекслі (середина XIX ст.).

Історія: спонтанне зародження → біогенез → абіогенез¶

Античність: ідея самозародження життя з неживого (альтернатива креаціонізму в Китаї, Вавилоні, Єгипті); Аристотель — теорія «активних початків».
Середньовіччя: єдиною концепцією став креаціонізм (біблійний догмат).
Відродження: повернення до ідей Аристотеля; Ян Баптиста ван Гельмонт (XVI ст.) описував «експерименти» самозародження мишей і скорпіонів (помилкові, але зумовлені відсутністю мікроскопів і знань про клітини).
Франческо Реді (1668): дослід із м'ясом і мухами — нове життя з'являється лише зі старого (біогенез).
Луї Пастер (1860-ті): остаточно спростував спонтанне зародження і підтвердив біогенез; термічна обробка (пастеризація) вбиває мікроорганізми, і стерильне середовище лишається таким.
Сучасний абіогенез ≠ спонтанне зародження: зараз самозародження не відбувається, але ~4 млрд років тому, за інших умов, живе могло виникнути з неживого єдиний раз, а далі йшла лише еволюція (біогенез). Абіогенез — початковий етап еволюції, коли з неживих хімічних сполук зародилися протоживі істоти, що еволюціонували у бактерії й архей.
Теорія Опаріна–Голдейна (первинного бульйону): Олександр Опарін (1924) і Джон Голдейн (1928) незалежно опублікували статті «The Origin of Life», обґрунтувавши абіогенез. Це була перша теорія, що зробила абіогенез предметом сучасної науки (гіпотеза випадкового виникнення первинної молекули ДНК). Лектор зауважує її історичну цінність: статті мали філософський, а не експериментальний характер, і нині більшість учених вважають цю конкретну теорію застарілою (ймовірність випадкового виникнення ДНК надзвичайно мала).

Молекулярні основи спадковості (Частина 2)¶

Основа всього сучасного життя — нуклеїнові кислоти: складні високомолекулярні біополімери, мономерами яких є нуклеотиди.

ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) — подвійна спіраль із чотирьох нуклеотидів: аденін (А), гуанін (Г), цитозин (Ц), тимін (Т). Порядок нуклеотидів кодує всю генетичну інформацію (подібно до бінарного комп'ютерного коду). Подвійна спіраль дозволяє самокопіювання: фермент ДНК-полімераза розщеплює її на дві нитки, і за принципом комплементарності (А→Т, Г→Ц) добудовуються дві ідентичні копії. Відкриття структури ДНК (початок 1950-х) Ватсоном і Криком удостоєне Нобелівської премії; ідею про кодування генетичної інформації послідовністю нуклеотидів підказав фізик Георгій Гамов.
РНК (рибонуклеїнова кислота) — одинарна спіраль, нуклеотиди А, Г, Ц та урацил (У) замість тиміну (АГУЦ). На відміну від ДНК, РНК є всюди, навіть у вірусів без ДНК. У сучасних організмах РНК — посередник: передає інформацію від ДНК до білків (рибосом). Має також каталітичні властивості (рибозими) — здатна виконувати функції білків.

Проблема «курки і яйця» (білок чи ген): для реплікації ДНК потрібні білки-ферменти, а білки синтезуються лише на основі інформації в ДНК. Це замкнуте коло (уроборос): білки потребують ДНК, ДНК потребує білків.

Голобіоз і генобіоз¶

Усі гіпотези походження життя поділяються на дві великі групи залежно від того, що вважають первинним:

Голобіоз: первинним був білок (виник з неорганічних сполук, а вже потім призвів до появи нуклеїнових кислот). Панував упродовж майже всього XX ст. — до відкриття генів і структури ДНК люди не уявляли іншого шляху. Передбачав послідовність: прості органічні речовини → білки → складні білкові тіла в умовах «первинного супу» (primordial soup). Перша експериментальна спроба підтвердження — експеримент Міллера–Юрі (1952). Проте голобіоз не пояснює, як первинний білок навчився самовідтворюватися (білки такої властивості не мають).
Генобіоз: первинним був «ген» — послідовність нуклеотидів, що кодує інформацію; на її основі вже виникли білки. Набув ваги після відкриття ДНК/РНК.

Протистояння двох концепцій (генетична репродукція чи метаболізм первинні) тривало приблизно до 1980-х і не завершилося остаточно; з'явилися кращі пояснення — гіпотеза світу РНК.

Хронологія появи життя на Землі (Частина 2)¶

~4,5 млрд років тому: утворення Землі та Сонячної системи.
~4,2 млрд років тому: зіткнення протопланети Землі з протопланетою Тея, з якого утворилися сучасна Земля і Місяць. Планета тоді була розпеченою — про життя не могло йтися; 4 млрд років тому життя 100% не існувало.
Наступні ~100 млн років: атмосфера нещільна, з отруйних газів (NH₃, CH₄, H₂, сірка), без кисню, надвисока радіоактивність — умови несприятливі.
~3,5 млрд років тому: життя точно існувало — в Австралії та Гренландії знайдено залишки ціанобактеріальних матів (за деякими даними — до 3,7 млрд років).
Найімовірніше ~3,7–3,8 млрд років тому: життя виникло в проміжку між 4 і 3,5 млрд років, найвірогідніше в гарячих геотермальних джерелах (багатих на поживні речовини, зокрема нуклеотиди), у водному середовищі.

Перші форми життя (~3,7 млрд років тому) — прокаріотичні анаеробні бактерії та археї (без кисню, без ядра, без мембранних органел, розміром 0,5–5 мкм). Еукаріоти виникли пізніше через симбіоз прокаріотів (один проник усередину іншого).

Спільний предок ЛУКА (LUCA)¶

Усі живі організми на Землі мають спільні риси: генетичний код у формі ДНК (завжди дві спіралі, 4 нуклеотиди), РНК як передавач інформації до білків, АТФ як універсальне джерело енергії, клітинна стінка. Це свідчить про походження від єдиного спільного предка — ЛУКИ (Last Universal Common Ancestor). ЛУКА жив ~3,7 млрд років тому в геотермальному джерелі; він не був ані першою живою істотою (хтось існував до нього), ані єдиною (паралельні форми вимерли). Уся сучасна різноманітність життя походить від його нащадків. Справжня перша жива клітина існувала десь між світом РНК (ще не життя) і ЛУКОЮ (вже не перша) — і залишається невідомою.

Суперечності та відкриті питання¶

Остаточної теорії виникнення життя не існує — лише гіпотези (передусім абіогенез), що досі не підтверджені на 100 %.
Протобіологічні системи (перехід від хімії до життя) залишаються майже невідомими; природу первинного етапу реконструюють лише за сучасною будовою молекул.
Статус вірусів (живе/неживе) залежить від обраного визначення життя — питання термінологічне.
Проблема первинності (білок чи ген) не розв'язана остаточно: ні голобіоз, ні генобіоз не пояснюють замкнуте коло самовідтворення; гіпотеза світу РНК дає найкраще наразі пояснення, але не доведена.
Жоден експеримент (зокрема Міллера–Юрі) не відтворив справжнє життя з неживого — гіпотези абіогенезу лише обґрунтовані, але не перетворені на теорію.
Справжня перша жива клітина (між світом РНК і ЛУКОЮ) ймовірно ніколи не буде відома.

Джерела та посилання¶

Життя та гіпотези його походження. Частина 1. Лекція з курсу «Науковий образ світу» — транскрипт лекції: визначення життя через властивості живого, віруси як перехідна форма, чотири гіпотези походження (креаціонізм, стаціонарний стан, панспермія, абіогенез), історія від спонтанного зародження через біогенез до теорії Опаріна–Голдейна.
Життя та гіпотези його походження. Частина 2. Лекція з курсу «Науковий образ світу» — транскрипт лекції: молекулярні основи ДНК/РНК, дилема білок-чи-ген (голобіоз/генобіоз), експеримент Міллера–Юрі, хронологія появи життя, ЛУКА.
Гіпотеза світу РНК — окрема сторінка: РНК як носій і генетичної інформації, і каталітичних функцій; вихід із кола «білок–ДНК».
Експеримент Міллера–Юрі — окрема сторінка: перша експериментальна спроба відтворити синтез органіки в умовах первинної Землі.
Георгій Гамов — вчений українського походження, що підказав ідею кодування генетичної інформації нуклеотидною послідовністю.
Теорія Великого вибуху — зв'язок: лектор протиставляє походження Всесвіту (~13,8 млрд років тому), яке пояснено теорією, відкритому питанню походження життя; стаціонарний стан суперечить Великому вибуху.
Псевдонаука — зв'язок: креаціонізм як ненаукова концепція походження життя, що не є альтернативою науковій теорії еволюції.
Еволюція життя — зв'язок: продовження теми; як виникле життя далі ускладнювалося в часі (Гадей→Архей→Протерозой→Фанерозой), зокрема киснева катастрофа та кембрійський вибух.