Происхождение жизни. Из неживого в живое | Объясняет любитель

Жизнь возникла из неживой материи в результате ряда химических реакций, которые привели к образованию простых органических соединений. В конечном итоге эти соединения объединились и развились в более сложные структуры, проложив путь к клеточной жизни. Переход от неорганической химии к биологическим процессам знаменует собой важную веху в истории Земли, иллюстрирующую, как строительные блоки жизни возникали в определенных условиях окружающей среды.

Изучение истоков жизни: историческая перспектива Различие между живой и неживой материей на протяжении веков ставило человечество в тупик, находя различные объяснения - от божественного сотворения до современных теорий о РНК. Несмотря на многочисленные попытки дать определение жизни и ее происхождению, однозначный ответ остается неясным. Многие существующие ресурсы содержат поверхностные или чрезмерно сложные объяснения, которые не дают ответа на основной вопрос о том, как жизнь возникает из неживого.

Математическое понимание Различий в Жизни Современные научные гипотезы, такие как панспермия, скорее отодвигают проблему происхождения жизни, чем решают ее, в то время как другие теории не проясняют, как простые молекулы эволюционируют в клетки. Поиски понимания того, где зарождается жизнь, продолжаются; однако некоторые математические подходы могут помочь определить границы между мертвой и живой материей, а также выявить закономерности, которые характеризуют то, что делает жизнь уникальной. Цель этого исследования - дать представление об этой сложной теме, не полагаясь на профессиональный жаргон или академические авторитеты.

Жизнь возникла в результате ряда сложных процессов, которые начались с простых органических соединений. Со временем эти соединения эволюционировали в более сложные структуры, что привело к появлению первых живых организмов. Факторы окружающей среды и естественный отбор сыграли решающую роль в формировании жизни, какой мы ее знаем сегодня. Понимание этого путешествия раскрывает не только наше происхождение, но и взаимосвязь всех живых существ.

Определение Жизни с помощью Основных характеристик Жизнь не имеет точного определения из-за своей сложности, поскольку и живая, и неживая материя состоят из одних и тех же атомных строительных блоков, управляемых одинаковыми физическими законами. Задача состоит в том, чтобы отличить жизнь от бесчисленных комбинаций атомов и их взаимодействий. Пока ученые спорят о том, являются ли вирусы или прионы живыми, выясняются три основные характеристики: это биологическая система, которая исключает искусственные конструкции, такие как роботы; репликация посредством самовоспроизводящихся процессов; и наследование, включающее передачу генетической информации от поколения к поколению.

Репликация и наследование: основные признаки Первая характеристика подчеркивает, что настоящая жизнь должна быть органической, а не механической или имитируемой системами, такими как 3D-принтеры. Репликация важна для определения жизни, отличая ее от простого воспроизведения, наблюдаемого у неживых существ, таких как кристаллы, растущие без наследования признаков. Наследственность обеспечивает преемственность между поколениями, обладая информационной сущностью, необходимой для выживания — этот аспект остается неуловимым, но имеет решающее значение при определении того, что представляет собой живой организм.

Понимание эмерджентности в биологических системах Эмерджентность описывает, как в системах возникают сложные свойства, выходящие за рамки суммы их отдельных компонентов — концепция, применимая к пониманию природы жизни на молекулярном уровне, где простые элементы объединяются в сложные формы, демонстрирующие уникальное поведение, отсутствующее по отдельности. Это явление аналогично естественным явлениям, наблюдаемым в биологии, где спонтанный порядок приводит к структурированным результатам, подобным снежинкам, образующимся при определенных условиях, несмотря на то, что они возникают в результате случайных молекулярных движений.

Сложность жизни и чувствительность к начальным условиям Взгляд Шредингера на жизнь подчеркивает ее сложность как системы, в которой незначительные изменения на микроуровне могут привести к значительным последствиям на макроуровне. Например, изменения в одном нуклеотиде ДНК могут повлиять на функциональность всего организма. Это подчеркивает, что живые системы более восприимчивы к начальным условиям, чем классические физические системы, такие как двойные маятники или задачи о трех телах.

Энтропия: определяющая черта жизни Согласно второму закону термодинамики, изолированные системы имеют тенденцию к увеличению энтропии, однако все формы жизни сопротивляются этой тенденции, уменьшая внутреннюю энтропию. Жизнь отличается от неживой материи своей способностью поддерживать внутренний порядок, избегая при этом превращения в хаос с течением времени. Организмы достигают этого, усваивая порядок из окружающей среды, независимо от того, являются ли они автотрофами или гетеротрофами.

Взаимосвязанность в биологических системах Определение жизни основывается на таких процессах, как размножение и передача информации, происходящих посредством химических взаимодействий в сложных системах, а не на изолированных компонентах. Эти взаимодействия невозможно понять по отдельности, поскольку у отдельных частей отсутствуют свойства, наблюдаемые при объединении — сходство между снежинками и молекулами воды существует, но теряется при анализе по отдельности.

ЛУКА: Последний Универсальный Общий предок Жизнь на Земле восходит к общему предку, известному как ЛУКА, который существовал более 4 миллиардов лет назад. Этот гипотетический организм является прародителем всех современных форм жизни и может быть изучен только с помощью генетических сравнений. Несмотря на свою примитивность, ЛУКА был достаточно сложен, чтобы обладать клеточными мембранами и генами.

Три сферы жизни Все живые организмы подразделяются на три группы: эукариоты (с определенными ядрами), археи (древние одноклеточные организмы без ядер) и бактерии. К эукариотам относятся грибы, животные и растения, в то время как археи представляют собой одни из древнейших форм жизни, существующих до сих пор.

Выживание в экстремальных условиях ЛУКА процветал в экстремальных условиях, подобных современным гидротермальным источникам, около 3,6 миллиарда лет назад, после того как окружающая среда Земли стала пригодной для жизни после образования Луны примерно 4-4,5 миллиарда лет назад.

Ускоряющиеся эволюционные тенденции Эволюция демонстрирует тенденцию к ускорению; каждая стадия занимает меньше времени, чем предыдущая, начиная с простых репликаторов и заканчивая многоклеточной сложностью в течение миллиардов лет, что позволяет предположить, что ранние стадии были быстрыми по сравнению с более поздними достижениями, такими как человеческая цивилизация или освоение космоса.

"Панспермия": Теория космического происхождения "Панспермия" предполагает, что строительные блоки жизни, возможно, прибыли из других уголков Вселенной, а не возникли исключительно на Земле, благодаря геологическим данным, свидетельствующим о внезапном появлении сложных форм жизни вскоре после того, как здесь возникли пригодные для жизни условия — тайна, до сих пор неразгаданная прямыми наблюдениями за пределами истории нашей планеты.

Элементарное происхождение жизни Формирование жизни началось с создания элементов, которые похожи на те, что содержатся в живых клетках. Это сходство позволяет предположить, что жизнь не уникальна, а является результатом взаимодействия между этими элементами. Распределение и изобилие химических элементов указывают на потенциальные формы жизни во Вселенной, особенно на организмы, основанные на углероде.

Звезды - горнило жизни Большинство важных компонентов образуются в результате нуклеосинтеза в звездах, особенно в звездах первого поколения, которые производят более тяжелые элементы во время взрывов сверхновых. Эти процессы привели к увеличению содержания тяжелых элементов, необходимых для формирования скалистых планет, и в конечном счете способствовали абиогенезу — возникновению жизни из неживой материи - в эпоху, когда около 10 миллиардов лет назад преобладали звезды третьего поколения.

Этапы становления Живых систем Абиогенез включает в себя несколько этапов: синтез органических молекул из неорганических соединений; создание сложных органических веществ, таких как сахара и белки; сборка простых репликаторов, таких как РНК; локализация реакций в мембранах, подобных примитивным клеткам; кульминация — образование ДНК наряду с клеточными структурами - путь, ведущий к дарвиновской эволюции.

РНК: основа сложности жизни Простейший клеточный репликатор, РНК, знаменует начало жизни в том виде, в каком мы ее знаем. Он необходим для передачи генетической информации и размножения. Несмотря на простоту, для создания функциональной молекулы РНК требуется по меньшей мере 1800 нуклеотидов; однако в лабораторных условиях удалось получить только фрагменты, содержащие около 280 нуклеотидов. Эта сложность бросает вызов теориям о происхождении жизни, поскольку даже базовые репликаторы нелегко сформировать без посторонней помощи.

Эволюционный парадокс: от простоты к сложности Возникновение жизни связано со сложными биологическими механизмами, сформированными эволюцией и естественным отбором с течением времени. Однако раннее размножение не могло основываться на конкуренции или отборе из—за отсутствия других организмов на этой стадии, что изначально делало эволюционные процессы невозможными. Таким образом, возникает парадокс относительно того, как сложные инструкции, необходимые для построения молекул РНК, могли бы существовать внутри них, если бы у них не было предшественников, из которых они могли бы развиться естественным путем.

Поразительная вероятность Спонтанного Возникновения Жизни Вероятность самопроизвольного возникновения жизни поразительно мала и оценивается в 10-118. Эта цифра отражает минимальное время с момента возникновения жизни во Вселенной и предполагает наличие огромного количества звезд и планет, способных поддерживать жизнь. Расчеты основаны на молекуле РНК, состоящей примерно из 1800 нуклеотидов, что подчеркивает, насколько маловероятно самопроизвольное возникновение таких сложных структур.

Повышение Шансов За счет Простоты Чтобы увеличить шансы на появление жизни, можно расширить временные рамки или рассмотреть дополнительные небесные тела, такие как луны и газовые гиганты, которые могли бы поддерживать более простые репликаторы с меньшим количеством нуклеотидов, чем считалось необходимым ранее. Используемая формула показывает, что вероятность напрямую коррелирует с доступным объемом, способствующим формированию жизни, в то время как сложность находится в обратной зависимости; таким образом, более простые репликаторы значительно повышают вероятность.

Переоценка требований к сложности Несмотря на первоначальные оценки, предполагающие высокие требования к сложности (около 102 нуклеотидов), дальнейший анализ показывает, что это не может быть препятствием для возникновения жизни по крайней мере один раз в истории Вселенной. Корректировка простоты или элементного состава кардинально меняет предполагаемую осуществимость, не противореча наблюдаемым данным, что указывает на потенциальные пути к более точному пониманию происхождения жизни.

Происхождение РНК с помощью автокатализа Концепция living solutions основана на РНК и ее происхождении во Вселенной. Автокатализ играет решающую роль, когда конечный продукт выступает в качестве катализатора для своего собственного образования. Реакция Батлера выделяется как важный процесс, приводящий к синтезу нуклеотидов, которые являются фундаментальными компонентами молекул РНК, необходимыми для жизни.

Четыре важнейших компонента для жизни При абиогенном синтезе для создания нуклеотидов в результате органических и неорганических реакций требуется всего четыре соединения. Современные научные знания успешно объяснили, как все четыре нуклеотида могут возникать в результате сложных взаимодействий, не требуя на данном этапе существования существующих форм жизни или механизмов репликации.

Возможность использования более коротких РНК в спонтанном синтезе Более короткие молекулы РНК представляют собой более приемлемые варианты для спонтанного синтеза по сравнению с более длинными цепями, такими как 1800 нуклеотидов, которые требуются простым репликаторам. Недавние исследования продемонстрировали успешный синтез длинных нитей РНК (50-150 нуклеотидов) с использованием вулканического стекла в качестве катализаторов, что указывает на потенциальные пути возникновения жизни в условиях, подобных земным.

Роль и ограничения рибозимов Рибозимы появляются как уникальные типы среди различных сформированных РНК благодаря их способности катализировать свои копии, но в процессе репликации им требуются другие ранее существовавшие рибонуклеиновые структуры. Несмотря на ограниченное количество известных науке рибозимов — около ста функциональных рибозимов — они представляют собой важнейшие шаги на пути к усложнению и способности к самовоспроизведению, необходимым для ранних форм жизни.

Спонтанное образование простых репликаторов Появление первого простого репликатора было связано не с тысячами отдельных нуклеотидов, а скорее с несколькими рибозимами. Размер и длина этих рибозимов имеют решающее значение: по некоторым оценкам, первоначальный репликатор состоял из 90-100 нуклеотидов. Даже при пессимистичных условиях жизнь может спонтанно возникать во Вселенной значительно чаще, чем считалось ранее, — до 15 миллионов раз в разных галактиках.

Условия для возникновения жизни Рибозимы могут сильно различаться по длине; более короткие (20 нуклеотидов) имеют еще больше шансов на независимое образование по сравнению с более длинными (84 нуклеотида). Для появления полноценных форм жизни определенные последовательности РНК должны правильно сочетаться в пределах одного места или организма. Это требует, чтобы все необходимые компоненты находились вместе по крайней мере на одной планете для успешной сборки в функциональные системы.

Панспермия: Ключевая гипотеза о происхождении жизни Панспермия предполагает перемещение живых организмов в космосе, что имеет решающее значение для понимания происхождения жизни. Наблюдения показывают, что жизнь могла появиться на Земле откуда-то еще, когда условия стали подходящими. Гипотеза гласит, что множество молекул РНК должны объединяться, образуя репликатор, что требует таких механизмов, как панспермия, для их переноса по планетам.

Механизмы выживания микробной жизни Микроорганизмы могут пережить космические путешествия; даже сложные многоклеточные организмы переносят суровые условия в космосе. Одноклеточные микробы могут прожить до шести лет, находясь непосредственно в открытом космосе, и миллионы лет под землей без солнечного света и кислорода. Эти устойчивые сообщества процветают в условиях экстремального давления и отсутствия внешних источников энергии, используя неорганические соединения.

Путешествия на астероидах: пути межзвездной колонизации Межзвездные астероиды перемещаются между звездами со значительными скоростями, что позволяет потенциальной микробной колонизации преодолевать огромные расстояния за приемлемые сроки для автономного существования форм жизни. Расчеты показывают, что благоприятные области внутри галактик, где происходит звездообразование, могут способствовать возникновению жизни из-за снижения риска возникновения сверхновых вблизи молодых массивных звезд.

Галактические Условия, благоприятствующие Панспермическому распространению Солнечная система идеально расположена вблизи среды вращения, благоприятной для формирования жизни, поскольку она позволяет быстро распространяться посредством панспермии среди пригодных для жизни зон по всей галактике после того, как исходные компоненты появляются близко друг к другу во время активных периодов после событий звездообразования, связанных с метеорными бомбардировками.

Жизнь быстро зародилась на Земле после ее стабилизации, несмотря на предыдущие неблагоприятные условия, в основном из-за продолжающегося притока с других небесных тел биологических материалов, готовых к прибытию, минуя обширные эволюционные процессы, наблюдаемые в других частях нашей галактики, в то время как межгалактические перемещения остаются маловероятными, учитывая огромные расстояния, связанные с проблемами выживания, с которыми сталкиваются в пути.

Влияние хиральности на химические взаимодействия Хиральные молекулы проявляют различное поведение в зависимости от их левостороннего или правостороннего расположения, что влияет на химические взаимодействия. Левосторонние и правосторонние молекулы не могут химически взаимодействовать, несмотря на идентичность по составу; это предполагает возможность существования форм жизни, которые биохимически похожи на людей, но несовместимы с нашей биологией. Такие внеземные существа могли бы обладать теми же белками и ДНК, но при этом быть неспособными потреблять земную пищу или передавать вирусы из-за этих хиральных различий.

Органические следы метеоритов: значение для жизни за пределами Земли Сложные органические соединения были обнаружены в метеоритах из нашей Солнечной системы, что указывает на потенциальную возможность создания жизни за пределами Земли. Хотя маловероятно, что полностью развитые одноклеточные организмы будут найдены всего за 100 000 лет во время межзвездных путешествий, сохранность сложной органики может длиться миллиарды лет. Эти данные подтверждают теории о биологическом происхождении Земли через панспермию, предполагая, что если необходимые компоненты для жизни не существуют независимо в разных галактиках, то в этих галактиках может вообще отсутствовать жизнь.

Вычисление появления жизни в Галактиках Галактика, вероятно, заполнена жизнью, но возникновение этой жизни является сложным процессом и зависит от различных факторов. Вероятность появления жизни можно рассчитать с помощью формулы, разработанной Евгением Куниным, которая учитывает константы, аналогичные тем, что указаны в его работе. Этот расчет предполагает ожидаемое количество случаев появления жизни на потенциально пригодных для жизни планетах в течение миллиардов лет.

Влияние Длины РНК И Репликаторов На Формирование Жизни На вероятность появления живых организмов влияют два ключевых параметра: длина цепочки РНК и сложность репликатора. Короткие рибозимы повышают вероятность появления живых организмов из-за их простоты; однако более длинные цепочки значительно снижают вероятность появления живых организмов, поскольку для их образования требуются более специфические условия. Даже если на многих планетах будут созданы благоприятные условия, не на всех появятся новые формы, способные к размножению.

Галактическое Распределение Типов Рибозимов, Необходимых Для Жизни Оценки показывают, что только около 45% галактик или меньше могут содержать по крайней мере один тип рибозимов, необходимый для формирования жизни на основе определенных типов рибозимов, присутствующих в них одновременно. Если в любой галактике требуется несколько требуемых типов, это резко сокращает количество потенциальных мест, где может эффективно происходить самопроизвольное зарождение.

Роль Панспермии В Расширении Представлений О Независимом Происхождении Рассмотрение межзвездной панспермии еще больше расширяет эти расчеты, поскольку позволяет использовать существующие микроорганизмы из других источников, а не полагаться исключительно на процессы самозарождения, что приводит к гораздо большим, чем считалось ранее, оценкам относительно того, как часто независимые источники могут возникать в космосе при оптимальных сценариях.

Автономные ранние формы жизни Первые формы жизни были полностью автономными организмами, способными выполнять сложные операции, такие как репликация и синтез, не полагаясь на молекулы-помощники РНК. Однако эти ранние репликаторы не могли самостоятельно синтезировать органические соединения и полагались на существующие нуклеиновые кислоты в качестве источника энергии. По мере того как ресурсов становилось все меньше, жесткий процесс отбора отдавал предпочтение тем, кто мог использовать неорганические соединения для выживания.

Изменение обмена веществ для выживания Чтобы процветать в окружающей среде, 4 миллиарда лет назад этим примитивным организмам потребовалось перейти от простых клеток к полноценной биосфере, развив метаболический обмен. Они научились использовать углекислый газ в качестве источника энергии в ходе химических реакций, прежде чем фотосинтез появился гораздо позже. Эта адаптация обеспечила им доступ к практически неограниченному количеству сырья, необходимого для выживания.

Эволюция за счет использования коферментов Дальнейшее развитие жизни произошло с появлением коферментов, которые ускорили специфические биохимические реакции, необходимые для поддержания жизни в условиях внешнего давления. Коферменты, вероятно, возникли из более простых рибозимов в процессе репликации, когда количество готовых нуклеотидов стало ограниченным; таким образом, со временем они стали важнейшими компонентами метаболизма, что привело к созданию более сложных экосистем, включающих производителей и потребителей в биосфере.

Эволюция от РНК к белкам Гены и ДНК возникли как простые репликаторы, но РНК продолжала активно существовать. РНК служит не только носителем информации, но и катализатором собственного синтеза. Эволюция жизни привела к появлению белков, которые стали важнейшими катализаторами биологических процессов, причем 99% клеточных функций выполняются белками и пептидами.

Выгодный переход: От RNK-Кодирования к стабильности DNK Структурно ДНК отличается от РНК главным образом составом нуклеотидов; хотя обе они несут генетическую информацию, ДНК более эффективно кодирует аминокислоты благодаря своей стабильности. Этот переход позволил организмам синтезировать белки более эффективно, чем раньше, используя только молекулы РНК.

Разнообразие благодаря потенциалу кодирования нуклеотидов Кодирующий потенциал между нуклеотидами обеспечивает большее разнообразие в построении белков у разных организмов — археи и бактерии могут кодировать сотни или тысячи белков по сравнению с эукариотами, которые могут кодировать десятки тысяч. Такая адаптивность способствует эволюционному успеху разных видов.

Происхождение За Пределами Океанов: Гидротермальные Источники Как Колыбели Жизни Жизнь, вероятно, зародилась не только на Земле, но и, возможно, в других частях нашей галактики, прежде чем попасть сюда с астероидами или кометами. Ранние гипотезы предполагали, что океаны были колыбелью жизни; однако недавние данные указывают на то, что гидротермальные источники, богатые необходимыми минералами, были главными местами, где ранние органические соединения могли образовывать сложные структуры, необходимые для размножения.

Геотермальная среда обеспечивала условия, благоприятствующие образованию химических строительных блоков жизни без разбавления, которые можно найти в открытых водах, что позволяло проводить концентрированные реакции, необходимые для образования стабильных цепей, подобных тем, которые наблюдаются в рибозимах.

Плодные оболочки: Важнейший шаг в раннем возрасте Появление мембран имело решающее значение для функционирования ранних рибозимов, для размножения которых требовались пористые вулканические породы. Эти среды обеспечивали относительную безопасность от внешних колебаний и позволяли молекулам РНК концентрироваться. Первые клеточные мембраны представляли собой простые липидные бислои, которые защищали эти структуры от внешних воздействий, позволяя им образовывать барьер, необходимый для жизни.

Эволюция липидных бислоев и клеточной защиты Липиды - это органические молекулы с полярными свойствами, которые позволяют им образовывать двухслойные мембраны, по-разному взаимодействуя с водой. Такая избирательность дает преимущества живым организмам, поскольку они могут контролировать, что входит в их клетки и что выходит из них, подобно тому, как в современных резервуарах создаются защитные слои от угроз. Эволюция мембран идет параллельно с развитием механизмов биологической защиты, необходимых для выживания.

Лука: Роль общего предка в эволюции Формирование настоящих клеточных мембран совпало с развитием способности к синтезу белка у первобытных организмов, таких как Лука, наш общий предок. Морская среда сыграла значительную роль благодаря своему уникальному ионному составу по сравнению с наземными условиями; присутствие натрия повлияло на генетические взаимодействия, жизненно важные для развития жизни в эукариотах и более чем через 2 миллиарда лет, когда многоклеточная жизнь появилась на суше.

Изучение жизни за пределами биохимии, основанной на углероде Жизненный путь сложен и отмечен множеством неожиданных этапов - от межзвездных путешествий до получения генетических кодов. Это исследование раскрывает потенциал жизни во Вселенной и предполагает, что помимо форм жизни на основе углерода могут существовать альтернативные биохимические процессы. Соединения кремния, бора и азота также могут образовывать длинные полимерные молекулы при определенных условиях.

Трудности в поиске альтернативных форм жизни Вероятность появления жизни на основе кремния значительно снижается, если планеты, пригодные для такого существования, встречаются реже, чем планеты, поддерживающие углеродную жизнь. Концепция альтернативной биохимии остается правдоподобной, но практически сложной; найти один организм на основе кремния среди тысяч пригодных для жизни планет кажется более реалистичным, чем обнаружить идентичные аналоги с противоположной хиральностью.

Галактические Механизмы, благоприятствующие Простым Формам Жизни Механизмы панспермии предполагают более высокую вероятность существования разнообразных форм жизни в галактиках по сравнению с изолированными планетными системами. Большинство потенциально обитаемых экзопланет, скорее всего, содержат простые РНК-миры, а не развитые многоклеточные организмы или структуры ДНК из-за эволюционных ограничений, налагаемых факторами окружающей среды, аналогичными земным.

Космическое происхождение: понимание возникновения жизни Понимание того, как возникла жизнь, предполагает изучение космических процессов, а не только лабораторных экспериментов; эта перспектива смещает акцент на физические свойства, влияющие на возникновение жизни в различных средах. Хотя биохимические особенности остаются сложными, выявление закономерностей в распределении жизни может дать ценную информацию о ее сложности во всем космосе.

Реальность часто воспринимается как иллюзия, а вселенная напоминает голограмму. Чтобы достичь величия, нужно действовать, а не переусердствовать и не зацикливаться на возможностях. Принятие этой точки зрения может привести к преобразующему опыту и достижениям.