Возникновение жизни, или абиогене́з ( от — отрицательная частица, — жизнь и — происхождение) — процесс происхождения живой природы из неживой. В узком смысле слова под абиогенезом также понимают образование органических соединений, распространённых в живой природе, вне организма без участия ферментов. Альтернативой зарождению жизни на Земле является панспермия, которая, однако, не решает принципиального вопроса о возникновении жизни, а лишь отдаляет его в ещё более далёкое прошлое Вселенной.
Термины биогенез и абиогенез предложены английским биологом Томасом Генри Гексли (1825—1895) в 1870 году.
Согласно современным моделям, на Земле жизнь возникла около 4,1—3,8 млрд лет назад, при том, что сама планета сформировалась примерно 4,5 млрд лет назад. Древнейшие известные ископаемые строматолиты имеют возраст 3,7 млрд лет.
Современные научные представления Оценки вероятности возникновения жизни среди ученых варьируются от неизбежной до крайне редкой. Так, Кристиан де Дюв утверждал, что жизнь является «космическим императивом», то есть неизбежно возникает в любом месте, где позволяют физические условия. Напротив, молекулярный биолог Фрэнсис Крик, один из открывателей структуры ДНК, говорит, что возникновение жизни — это очень маловероятное событие, а жизнь на Земле существует потому, что во Вселенной есть множество планет, где могли быть «поставлены» подобные естественные «эксперименты». Наука пока не выяснила, какая точка зрения верна и насколько вероятно стечение обстоятельств, которое привело к появлению жизни, но существенно продвинулась в этом направлении и показала, что для возникновения жизни не требуется сверхъестественных сил.
Химическая эволюция или пребиотическая эволюция — первый этап эволюции жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу развёртывания процессов самоорганизации, свойственных всем относительно сложным системам, к которым относится большинство углеродосодержащих молекул. Под действием солнечного жёсткого ультрафиолетового излучения, естественной радиоактивности (в то время она была значительно выше нынешней, породы содержали намного больше калия-40 и других природных радионуклидов) горных пород, атмосферного электричества образовались мономеры, а при соприкосновении морских вод, содержащих эти органические молекулы, с текущей лавой, происходила полимеризация этих молекул, так появлялись прообразы белковых молекул.
Также этими терминами обозначается теория возникновения и развития тех молекул, которые имеют принципиальное значение для возникновения и развития живого вещества.
Генобиоз и голобиоз Различают два методологических подхода в вопросе возникновения жизни, в зависимости от того, что считается первичным: Генобиоз — основан на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода. Голобиоз — основан на идее первичности структур, наделённых способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма.
Мир РНК как предшественник современной жизни
Согласно гипотезе мира РНК предполагается, что первые живые существа были РНК-организмами без белков и ДНК, а прообразом их мог стать автокаталитический цикл, образованный рибозимами, способными катализировать синтез своих собственных копий. Сахара, необходимые для синтеза РНК, в частности, рибоза, обнаружены в метеоритах и наверняка присутствовали в то время на Земле.
Гипотеза о первичности РНК развила и во многом сменила представления теории Опарина — Холдейна, предполагавшей первичность белков и остававшейся одной из ведущих концепций происхождения жизни на протяжении значительной части XX века. Толчком к её разработке послужило открытие рибозимов — молекул РНК, обладающих ферментативной активностью и поэтому способных соединять в себе функции, которые в настоящих клетках в основном выполняют по отдельности белки и ДНК — то есть катализирование биохимических реакций и хранение наследственной информации.
Мир полиароматических углеводородов как предшественник мира РНК
Гипотеза мира полиароматических углеводородов пытается ответить на вопрос, как возникли первые РНК, предлагая вариант химической эволюции от полициклических ароматических углеводородов до РНК-подобных цепочек.
Глина О похожести развития объектов неживой природы — кристаллов и живых клеток — писал ещё К. Э. Циолковский в статье «Зарождение жизни на Земле» (1922). В XXI веке набрали силу предположения о «помощи» минералов зарождающейся жизни. Так развилось представление, что жизнь могла зародиться в глинистом минерале монтмориллоните, который по некоторым свойствам мог способствовать построению биологических макромолекул, в том числе снабжать необходимой энергией «строительные блоки», из которых они создавались.
История развития представлений В разное время относительно возникновения жизни на Земле выдвигались следующие теории:
Теория самозарождения Теория стационарного состояния жизни Теория «первичного бульона»
Самозарождение жизни
Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне, Индии и Древнем Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Аристотель (384—322 гг. до н. э.), которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения жизни. Согласно этой гипотезе, определённые «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, считая, что это активное начало содержится в оплодотворённом яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном свете, тине и гниющем мясе.
Вплоть до XIX века в научной среде существовало представление о «жизненной силе» — некой всепроникающей субстанции, заставляющей зарождаться живое из неживого (лягушек — из болота, личинок мух — из мяса, червей — из почвы и т. д.). Известный учёный Ван Гельмонт описал эксперимент, в котором он за три недели якобы создал мышей. Для этого нужны были грязная рубашка, тёмный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом в процессе зарождения мыши Ван Гельмонт считал человеческий пот.
В 1668 году итальянский биолог и врач Франческо Реди подошёл к проблеме возникновения жизни более строго и подверг сомнению теорию спонтанного зарождения. Реди установил, что маленькие белые червячки, появляющиеся на гниющем мясе — это личинки мух. Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждающие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза). В горшочках с мясом, накрытых марлей, личинки мух не заводились.
Эти эксперименты, однако, не привели к отказу от идеи самозарождения, и хотя эта идея несколько отошла на задний план, она продолжала оставаться главной версией зарождения жизни.
В то время как эксперименты Реди, казалось бы, опровергли спонтанное зарождение мух, первые микроскопические исследования Антони ван Левенгука усилили эту теорию применительно к микроорганизмам. Сам Левенгук не вступал в споры между сторонниками биогенеза и спонтанного зарождения, однако его наблюдения под микроскопом давали пищу обеим теориям.
В 1860 году этой проблемой занялся французский химик Луи Пастер. Однако Пастер не ставил перед собой вопрос о происхождении жизни. Он интересовался проблемой самозарождения микробов в связи с возможностью борьбы с инфекционными заболеваниями. Если «жизненная сила» существует, то бороться с болезнями бессмысленно: сколько микробов ни уничтожай, они самозародятся вновь. Если же микробы всегда приходят извне, тогда есть шансЯновская М. И. «Пастер». — М.: «Молодая гвардия», 1960. («Жизнь_замечательных_людей»). Своими опытами он доказал, что бактерии вездесущи, и что неживые материалы легко могут быть заражены живыми существами, если их не стерилизовать должным образом. Учёный кипятил в воде различные среды, в которых могли бы образоваться микроорганизмы. При дополнительном кипячении микроорганизмы и их споры погибали. Пастер присоединил к S-образной трубке запаянную колбу со свободным концом. Споры микроорганизмов оседали на изогнутой трубке и не могли проникнуть в питательную среду. Хорошо прокипячённая питательная среда оставалась стерильной, в ней не обнаруживалось зарождения жизни, несмотря на то, что доступ воздуха и «жизненной силы» был обеспечен. Вывод: «жизненной силы» не существует, и в настоящее время микроорганизмы не самозарождаются из неживого субстратаГлава 1. «Происхождение жизни» // Марков А. В. Рождение сложности. — М.: Астрель, CORPUS, 2012. — 527 с..
Однако этот эксперимент вовсе не доказывает, что живое вообще никогда не может самозарождаться из неживого. Эксперимент Пастера доказывает лишь невозможность зарождения микроорганизмов конкретно в тех питательных средах, которые он использовал, при весьма ограниченном диапазоне условий и в течение коротких промежутков времени. Но он не доказывает невозможность самозарождения жизни в течение сотен миллионов лет химической эволюции, в самых разных средах и при разных условиях (особенно при условиях ранней Земли: в бескислородной атмосфере, наполненной метаном, углекислым газом, аммиаком и циановодородом, при пропускании электрических разрядов и т. д.). Этот эксперимент в принципе не может касаться вопроса об изначальном зарождении жизни хотя бы потому, что в своих опытах Пастер использовал мясные и дрожжевые бульоны (а также мочевину и кровь), а до зарождения жизни не было ни дрожжей, ни мяса. И тем более эксперимент Пастера никак не опровергает современные научные теории и гипотезы о зарождении жизни в глубоководных горячих гидротермальных источниках, в геотермальных источниках, на минеральных кристаллах, в космическом пространстве, в протопланетной туманности, из которой сформировалась Солнечная система, и в тому подобных местах.
Теория стационарного состояния Согласно теории стационарного состояния, жизнь и Земля существовали всегда и не имеют начала. Земля изначально была способна поддерживать жизнь и изменялась лишь незначительно, а у каждого вида есть лишь две возможности — изменение численности или вымирание.
Однако гипотеза стационарного состояния в корне противоречит данным современной астрономии, которые указывают на конечное время существования любых звёзд и, соответственно, планетарных систем вокруг звёзд. По современным оценкам, основанным на учёте скоростей радиоактивного распада, возраст Земли, Солнца и Солнечной системы исчисляется ≈ 4,6 млрд лет. Поэтому эта гипотеза не рассматривается академической наукой.
Сторонники этой гипотезы не признают, что наличие или отсутствие определённых ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистепёрых рыб — латимерию. По палеонтологическим данным кистепёрые вымерли в конце мелового периода. Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в районе Мадагаскара были найдены живые представители кистепёрых. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми остатками, можно сделать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, её сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте. Так, например, внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определённом пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков. Теория стационарного состояния представляет собой только исторический или философский интерес, так как выводы этой теории противоречат научным данным.
Теория Опарина — Холдейна