Основні гіпотези про походження життя на Землі

До найбільш поширених належать:

Гіпотеза про існування первинного «світу РНК» пов’язана з відкриттям каталітичної активності РНК. Це дозволило припустити можливість участі саме цих макромолекул у започаткуванні життя на Землі. Первинні організми, що за цією гіпотезою складалися з простих молекул РНК, здатних до самовідтворення, з часом могли набувати здатності до синтезу білків, у тому числі й ферментів. Це дозволило інтенсифікувати всі метаболічні процеси. Формування ліпідно-білкової мембрани відокремило внутрішнє середовище організмів від умов довкілля. Виникла клітина. Наступним еволюційним кроком стала передача функції носія спадкової інформації від РНК до молекул ДНК, що збільшило надійність її збереження. Можливість подібного розгортання подій була підтверджена деякими експериментами. Зокрема, були сконструйовані молекули РНК, що могли здійснювати багаторазовий сплайсинг. Але пізніше концепція «світу РНК» зіткнулася з численними проблемами й не була прийнятою як єдина та остаточна версія. У будь-якому разі молекула РНК є занадто складною і без білків недостатньо ефективною, щоб її можна було вважати первинним біополімером.

Гіпотеза про еволюцію протеноїдних мікросфер С. Фокса і К. Дозе. Вони довели, що складні органічні системи можуть утворюватися абіогенно в умовах інтенсивної вулканічної діяльності. Підтвердження такої можливості були одержані в численних експериментах із лавою, котру відбирали на Гавайських островах. Ці досліди полягали у тому, що при нагріванні водних розчинів амінокислот на матриці шматків лави утворювалися протеноїдні мікросфери діаметром близько 2 мкм. Вони відзначалися морфологічною і фізико-хімічною індивідуальністю, мали подвійну зовнішню оболонку та включення типу полінуклеотидів, металів тощо. Такі мікросфери давали початок дочірнім структурам шляхом поділу і пупкування. Подальші дослідження дозволили встановити, що подібні утвори можуть виникати навіть за температури 25 °C за присутності етилового ефіру поліфосфорної кислоти. Добавка гістонів і хлористого кальцію зумовлювала формування складної подвійної мембрани та бластулоподібних форм із сітчастою будовою, здатних до поділу.

Гіпотеза про можливість виникнення життя на глинистих частках була вперше запропонована Дж. Берналом. Її сутність полягає у тому, що ефективний матричний синтез протобіонтів міг здійснюватися на частках глини. Аргументами на користь такої можливості були їх досить специфічні особливості. А саме, глини є концентраторами різних органічних речовин (амінокислоти, поліпептиди тощо) та катіонів (протонів, амонію, калію, магнію, кальцію, заліза, марганцю, молібдену, цинку, кобальту та ін.), що сприяє утворенню органо-мінеральних комплексів із сильними каталітичними активностями, що значно прискорює процеси їх подальшого ускладнення.

Гіпотеза про виникнення життя на алюмоферосилікатній (риголітній) глобулі діаметром 1 — 10 мкм із ліпідною мембраною — армованою ліпосомою. У водному середовищі вона, на думку Л. Меклера, здатна до адсорбції біологічно активних макромолекул (в тому числі і з каталітичними властивостями) з утворенням повністю автотрофної протоклітини.

М.Д. Нусінов і Д.І. Серебровський додатково встановили, що каталітична функція риголітного зерна у сполученні з водою (пар, краплі, рідина) може зумовлювати виникнення складних хімічних систем. Спочатку вони становлять собою «обернену» міцелу, а потім — структуру з двошаровою мембраною.

Гіпотеза про виникнення життя не на поверхні Землі, а в глибинах океану поблизу гарячих джерел. За таких умов для утворення нових системних зв’язків уже не може використовуватися сонячна енергія, оскільки промені світла поглинаються вище розташованими шарами води. Формоутворення і підтримка стаціонарного стану складних хімічних систем забезпечуються за рахунок розпаду сірчистих сполук, які виділяються гідротермальними джерелами. Ще й сьогодні поблизу них концентрується життя в океанічних глибинах. Це своєрідні оази у пустелі. Біля гідротермальних джерел, як і поряд з іншими «гарячими» осередками (вулкани, гідротермалі суходолу), складаються сприятливі умови для формоутворення у вигляді потоків речовини та енергії.

З такими місцинами пов’язане існування вельми своєрідної групи екстремальних термофілів, до яких, зокрема, належать архебактерії. Вони мають у складі геному інтрони й за деякими ознаками займають проміжне положення між прокаріотами та еукаріотами, а їх метаболізм може регулюватися ферментами сучасних вищих тварин і людини. Серед них зустрічаються форми, які чудово почуваються за температури у 120 °C, на субстратах із підвищеною кислотністю та солоністю, у сірчистих джерелах тощо. Вони здатні відновлювати вуглекислий газ і сірку, окислювати водень і виділяти назовні метан та сірководень, що забезпечує включення основних хімічних елементів у біологічний кругообіг.

Еукаріотичні клітини могли виникнути близько 1 — 1,5 млрд. років тому внаслідок симбіозу архебактерій із синьо-зеленими попередниками хлоропластів та пурпуровими бактеріями, що започаткували мітохондрії. Усі симбіонти передавали частину своїх генів спільному (синтетичному) геному. Певний вклад у його формування могли внести і провіруси, започаткувавши мобільні генетичні елементи.

Гіпотеза про виникнення життя як метаболічного процесу на поверхні піриту (Fe S2). Цей мінерал дуже поширений у природі, в тому числі і біля гідротермальних джерел. Перші живі клітини могли становити собою піритове зерно з подвійною мембраною із органічних речовин. Ця гіпотеза має чимало недоліків, але ідея зв’язку походження життя з метаболічними процесами у гетерогенній системі видається перспективною. До того ж, викиди піриту у вигляді стовпів чорного пилу характерні й для гідротермалей океанів, які розташовані, частіше за все, біля розламів посеред океанічних хребтів. Такі утвори висотою до 20 м живуть усього 50 — 100 років, але увесь цей час вони пов’язані з існуванням біоценозів дуже незвичайних організмів. До них, зокрема, належать рифтії, які належать до типу погонофори й виглядають як великі (до 1,5 м) кільчаки, що мають султан із яскраво-червоних щупалець. Замість органів травлення вони містять трофосому — порожнину, заповнену автотрофними бактеріями, що засвоюють вуглекислий газ.

Тіоефірна гіпотеза. Де Дюва надає великого значення таким сірчистим сполукам як тіоефіри. Вони могли використовуватися як джерело енергії і одночасно слугувати пусковим механізмом низки хімічних реакцій. Роль каталізаторів виконували «протоферменти», які також утворювалися із тіоефірів. Так могли синтезуватися молекули РНК і подальша хімічна еволюція могла відбуватися у «світі» РНК. Для синтезу тіоефірів необхідна висока температура і кисень. Такі умови зберігалися і поблизу гідротермальних джерел.

Гіпотеза А. І. Опаріна (1924 р.) і Дж. Холдейна (1929 р.) належить до найбільш ранніх наукових концепцій походження життя на Землі, але її значення від цього не зменшилося. Згідно з цією гіпотезою принципи організації живого відповідають загальним закономірностям самоорганізації будь-яких відкритих систем. Вони передбачають формування і подальшу еволюцію фазово-відокремлених систем хімічного типу — коацерватів (протобіонтів).

Основні положення концепції Опаріна — Холдейна:

• 1) Життя є результатом еволюції матерії у Всесвіті. Подальші дослідження дозволили встановити доцільність цього твердження.
• 2) Всі необхідні для виникнення життя органічні сполуки можуть утворюватися в абіогенних умовах. Подальші дослідження вітчизняних і закордонних учених дозволили конкретизувати ці умови:
  • — відсутність біосфери, бо в іншому випадку новоутворені системи будуть включатися до потужного біологічного кругообігу речовин і не матимуть змоги самостійно розвиватися;
  • — наявність зовнішніх джерел енергії;
  • — відсутність вільного кисню, бо він прискорює окислення органіки;
  • — виведення речовин із зони їх утворення, бо рівновага реакцій звичайно зміщується у бік розпаду складних сполук.
• 3) Наявність добіологічної еволюції, тобто добору фазововідокремлених мікроструктур (протобіонтів). За рахунок нього здійснюється перевірка стійкості складних систем на стабільність у зовнішньому середовищі.