Виникнення життя на Землі

Виникнення життя  на Землі — теоретичні дослідження про ймовірну історію виникнення усього живого на планеті Земля. Згідно з астрономічними та геологічними даними вік Землі становить приблизно 4,5 — 5 млрд. років. Вважається, що у минулому стан нашої планети був мало схожий на сьогоднішній. Ймовірно, температура на поверхні була дуже високою (4000 — 8000 °C), а по мірі того, як Земля остигала, тугоплавкі метали конденсувалися і утворили земну кору; поверхня планети була, напевно, голою і нерівною, оскільки на ній внаслідок вулканічної активності, переміщень і стиснень кори, викликаної охолодженням, відбувалося утворення складок і розривів.

Вважається, що гравітаційне поле ще недостатньо щільної планети не могло утримувати легкі гази: водень, кисень, азот, гелій і аргон, внаслідок чого вони йшли з атмосфери. Але прості сполуки, що містять серед інших ці елементи (вода, аміак, CO₂, метан) виявились достатньо важкими і залишились на планеті. Поки температура Землі не впала нижче за 100 °C, уся вода знаходилася в пароподібному стані. Атмосфера була, очевидно, «відновною», про що свідчить наявність у древніх породах металів у відновленій формі (наприклад, двовалентного заліза). Більш молоді породи містять метали в окисленій формі (Fe³+). Відсутність кисню, скоріш за все, була необхідною умовою для виникнення життя. Лабораторні досліди свідчать про те, що органічні речовини (основа життя) набагато легше утворюються у збідненій киснем атмосфері.

Гіпотеза Опаріна

У 1923 р. О.І. Опарін, виходячи з теоретичних міркувань, запропонував думку, що органічні речовини, можливо вуглеводні, могли утворюватися в океані з простіших сполук. Енергію для цих процесів постачала інтенсивна сонячна радіація, головним чином ультрафіолетове випромінювання, що потрапляло на Землю до того, як утворився озоновий шар, який затримує велику її частину. На думку Опаріна, різноманітність простих сполук, що знаходилися в океанах, площа поверхні Землі, доступність енергії і масштаби часу дозволяють припустити, що в океанах поступово накопичилися органічні речовини і утворився «первісний бульйон». У такому «первісному бульйоні», на його думку, могло виникнути життя.

У 1953 р. Стенлі Міллер у ряді експериментів моделював умови, що приблизно існували на первісній Землі (див. Експеримент Міллера—Юрі). У створеній ним установці йому вдалося синтезувати багато речовин, що мають важливе біологічне значення, в тому числі ряд амінокислот, аденін і простий цукор, такий як рибоза. Після цього Орджел з Інституту Солка в схожому експерименті синтезував нуклеотидні ланцюги довжиною шість мономерних одиниць (прості нуклеїнові кислоти).

Виникнення подібних сполук у природі є досить очікуваним. Амінокислота гліцин (складова частина білків) має досить просту формулу: C₂H₅NO₂. Тому навіть у місячному ґрунті та метеоритах Оргейл, Муррей та Мерчисон були виявлені амінокислоти: гліцин, глутамін, аланін, аспаргін, серін. Однак у жодному з дослідів Міллера та інших дослідників не вдавалось синтезувати усі 20 амінокислот (кількість амінокислот у живих організмах) одночасно. Крім цього, концентрація амінокислот у «бульйоні» була все ж занадто малою (близько 2 %). У випадку, якби ці реакції відбувались у невеликій водоймі, цим речовинам загрожувало би звичайне розсіяння.

Також слід відзначити, що умови, за яких Стенлі Міллер проводив свої досліди, були все ж досить відмінними від  природних. Наприклад, у дослідах Міллера  один і той самий об'єм газів піддавався дії електричних розрядів протягом тижня. Це означає, що реальна тривалість контакту газів з електричним розрядом у порівнянні з блискавкою було перевищено у мільйони разів.

Окрему проблему становить  твердження про відсутність кисню  в первинній атмосфері Землі. Це твердження все ще є досить спірним  у сучасній науці. А при наявності  кисню синтез складних сполук є вкрай  малоймовірним.

Ці та інші проблеми змусили  в 1960-х роках шведських вчених: хіміка Л. Сіллен та геолога М. Руттен — відкинути концепцію «первинного бульйону», як хімічно малоймовірну.

Пізніше виникло припущення, що в первинній атмосфері у  відносно високій концентрації містився двоокис вуглецю. Недавні експерименти, проведені з використанням установки  Міллера, в яку помістили суміш CO₂ і H₂O, і тільки слідові кількості інших газів, дали такі ж результати, які отримав Міллер. Теорія Опаріна отримала широке визнання, але вона не дає відповідь на питання, як саме відбувся перехід від складних органічних речовин до простих живих організмів. В цьому аспекті теорія біохімічної еволюції представляє загальну схему, прийнятну для більшості біологів.

Опарін вважав, що вирішальна роль в перетворенні неживого в живе належала білкам. Завдяки амфотерності білків вони можуть утворювати колоїдні гідрофільні комплекси — притягати до себе молекули води, які створюють навколо них оболонку. Ці комплекси можуть відокремлюватися від водної фази, в якій вони перебувають у вигляді суспензії, і утворювати емульсію. Злиття таких комплексів один з одним призводить до відділення колоїдів від середовища — процес, званий коацервацією. Багаті на колоїди коацервати, можливо, були здатні до обміну речовинами з навколишнім середовищем і вибірково нагромаджували різні сполуки, особливо кристалоїди. Колоїдний склад даного коацервату, очевидно, залежав від складу середовища. Різноманітність складу «бульйону» в різних місцях вела до відмінностей в складі коацерватів і постачала таким чином сировину для «біохімічного природного добору».

Припускається, що в самих  коацерватах речовини вступали в наступні хімічні реакції. При цьому відбувалося поглинання коацерватами іонів металів і утворення ферментів. На межі між коацерватами і середовищем «шикувалися» молекули ліпідів, що призводило до утворення примітивної клітинної мембрани, що забезпечувала коацерватам стабільність. Внаслідок включення в коацерват первинної молекули, здатної до самовідтворення, і внутрішньої перебудови покритого ліпідною оболонкою коацервата, могла виникнути первинна клітина. Збільшення розмірів коацерватів і їх фрагментація, вели до утворення ідентичних коацерватів, які могли б поглинати більше компонентів середовища. Така послідовність подій призвела б до появи примітивного самовідтворюваного гетеротрофного організму, який би харчувався органічними речовинами первинного бульйону.

Цю гіпотезу походження життя  визнають вчені, але у деяких вона викликає сумніви через велику кількість  припущень. Астроном Фред Хойл висловив думку, що гіпотеза «так само безглузда й неправдоподібна, як твердження, що ураган, що пронісся над сміттєвим звалищем, може привести до побудови Боїнга-747».

Найскладніший момент цієї теорії — пояснення виникнення здатності живих систем до самовідтворення. Гіпотези з цього питання у рамках даної теорії малопереконливі.