2.4: Спонтанне покоління і походження життя
- Page ID
- 2792
Повсюдисущність організмів викликає очевидні питання: як почалося життя і що призвело до всіх цих різних видів організмів? Одного разу люди вважали, що ці два питання мають єдину відповідь, але тепер ми визнаємо, що це дійсно два досить чітких питання, і їх відповіді включають різні механізми. Ранній погляд тих, хто думав про такі речі, полягав у тому, що надприродні процеси виробляють життя загалом і людські істоти зокрема. Артикуляція теорії клітин і теорії еволюції шляхом природного відбору, про яку ми детально обговоримо в наступному розділі, разом з накопиченням даних дозволяє досить переконливо зробити висновок про те, що життя мало єдине успішне походження і що різні природні еволюційні процеси породила різноманітність життя.
Але як зародилося саме життя? Раніше було широко прийнято, що різні типи організмів, такі як мухи, жаби і навіть миші, можуть виникати спонтанно, з неживої речовини. Наприклад, вважалося, що мухи з'являються з гниючої плоті, а миші - з пшениці. Якщо це правда, постійне спонтанне покоління матиме глибокі наслідки для нашого розуміння біологічних систем. Наприклад, якщо спонтанне покоління на основі природних процесів було звичайним явищем, на роботі повинен бути досить простий процес, процес, який (імовірно) може дати надзвичайно складні результати. На відміну від цього, всі ставки вимкнені, якщо процес надприродний. Якби кожен організм виникав самостійно, ми могли б очікувати, що деталі молекулярного рівня кожного будуть унікальними, оскільки вони, імовірно, виникли незалежно від різних речей і в різних умовах порівняно з іншими організмами. Однак ми знаємо, що це не так, оскільки всі організми чітко пов'язані між собою і можуть бути простежені до єдиного предка, висновок до якого ми повертаємося, неодноразово.
Ключовою подією концептуального розвитку сучасної біології стала публікація статті Франческо Реді (1626—1697) під назвою «Експерименти над поколінням комах» у 1668 році. Він висунув гіпотезу, що спонтанного покоління не відбулося. Його гіпотеза полягала в тому, що з'явилися організми розвинулися з «насіння», відкладеного дорослими. Його гіпотеза привела до ряду чітких прогнозів. Один з них полягав у тому, що якщо дорослі мухи триматися подалі від гниючих м'ясних опаришів (личинкова форма мух) ніколи не з'являться незалежно від того, як довго вони чекали. Так само тип організму, який з'явився, залежав би не від типу гниючого м'яса, а скоріше від типу дорослої мухи, яка мала доступ до м'яса. Щоб перевірити свою гіпотезу, Реді створив два набори колб - обидва містили м'ясо. Один комплект колб піддавався безпосередньо повітрю і так мухам, інший запечатували папером або тканиною. Личинки з'явилися тільки в відкритих до повітря колбах. Реді дійшов висновку, що такі складні організми, як комахи, і занадто великі, щоб пройти крізь тканину, можуть виникати лише від інших комах, а точніше яєць, відкладених цими комахами, - що життя було безперервним.
Винахід світлового мікроскопа і його використання для перегляду біологічних матеріалів Ентоні ван Левенгуком (1632-1723) і Робертом Гуком (1635-1703) призвели до відкриття абсолютно нового і абсолютно несподіваного світу мікробів або мікроскопічних організмів. Зараз ми знаємо їх як бактерії, археї, цілий ряд одноклітинних фотосинтетичних та нефотосинтетичних еукаріотів. 36 Хоча було відносно легко створити переконливі докази того, що макроскопічні (тобто великі) організми, такі як мухи, миші та люди, не могли виникати спонтанно, здавалося правдоподібним, що мікроскопічні та імовірно набагато простіші організми можуть утворюватися спонтанно.
Відкриття мікробів призвело ряд вчених до вивчення їх походження і розмноження. Лаццаро Спалазані (1729-1799) показав, що після закипання бульйону він залишався стерильним, тобто без життя, до тих пір, поки був ізольований від контакту зі свіжим повітрям. Він дійшов висновку, що мікроби, як і більші організми, не могли виникати спонтанно, а походять від інших мікробів, багато з яких плавали в повітрі. Подумайте про можливі критичні зауваження до цього експерименту — можливо, ви можете придумати ті, про які ми не згадуємо!
Однією з очевидних критики було те, що може бути те, що кип'ятіння бульйону знищило один або кілька ключових компонентів, які були необхідні для спонтанного формування життя. Як варіант, можливо, свіже повітря був «життєво важливим» інгредієнтом. У будь-якому випадку кипіння та ізоляція призвели б до артефакту, який затьмарював, а не розкрив справжній процес. У 1862 році (зверніть увагу на пізню дату, це було після того, як Чарльз Дарвін опублікував «Про походження видів» в 1859 році) Луї Пастер (1822-1895) провів особливо переконливий набір експериментів для вирішення обох цих проблем. Він стерилізував бульйони шляхом кип'ятіння їх в спеціальних «лебедино-шийних» колбах (→). Унікальним у його експериментальному дизайні була форма шийки колби; вона дозволяла повітрю, але не повітряним мікроорганізмам дістатися до бульйону. Мікроби в повітрі опинилися в пастці в зігнутій області шийки колби. Ця конструкція дозволила Пастеру звернутися до критики попередніх експериментів, а саме того, що доступ до повітря був необхідний для спонтанного покоління. Він виявив, що рідина навіть при доступі повітря залишалася стерильною місяцями. Однак, коли шийка колби була порушена, бульйон швидко переповнювався зростанням мікробів. Він інтерпретував це спостереження, щоб вказати на те, що повітря, само по собі, не було необхідним для спонтанного покоління, а скоріше, як правило, забруднене мікробами. З іншого боку, той факт, що бульйон міг підтримувати ріст мікробів після того, як шийка була порушена, служив тим, що відомий як експеримент «позитивного контролю»; це вказувало на те, що нагрівання бульйону не знищило якийсь життєво важливий елемент, необхідний для стандартного зростання. Ми проводимо позитивні контрольні експерименти, щоб перевірити наші припущення; для вивчення, якщо ми використовуємо препарат у дослідженні, нам спочатку потрібно перевірити, щоб переконатися, що препарат, який ми маємо, насправді активний. В експерименті Пастера, якби варений бульйон не міг підтримати зростання (після того, як колба була розбита), ми б не очікували, що він підтримає спонтанне покоління, і тому експеримент був би безглуздим. До опису експерименту «негативного контролю» ми повернемося пізніше. 37
Звичайно, не всі, насправді, напевно, не будь-який експеримент ідеально підходить. Наприклад, як би сперечатися проти заперечення про те, що процес спонтанного покоління зазвичай займає десятки-тисячі або мільйони років? Якщо це правда, це заперечення визнало б недійсними висновки Пастера. Очевидно, що експеримент для вирішення цього конкретного заперечення має свої практичні питання. Проте результати різних експериментів зі спонтанного покоління привели до висновку, що ні мікроскопічні, ні макроскопічні організми не могли виникнути спонтанно, по крайней мере, не в сучасному світі. Проблема, принаймні в такому вигляді, стала нецікавою працюючим вченим.
Чи означає це, що походження життя обумовлено надприродною подією? Не обов'язково. Враховуйте той факт, що живі системи є складними хімічними реакційними мережами. У сучасному світі навколо багато організмів, по суті всюди, які активно поїдають складні молекули, щоб підтримувати їх нерівноважний стан, рости і, розмножуватися. Якби життя виникло спонтанним, але природним процесом, можливо, це може зайняти тисячі-сотні мільйонів років. Ми можемо встановити деякі обмеження на мінімальний час, який він може зайняти від геологічних даних, використовуючи час від моменту затвердіння поверхні Землі від раннього розплавленого стану до перших викопних доказів для життя, приблизно від 100 до 500 мільйонів років. Враховуючи схильність організмів їсти один одного, можна стверджувати (як це робив Дарвін →), що як тільки організми з'являться в певному середовищі, вони придушать будь-які подальші події спонтанного покоління - вони з'їли б молекули, необхідні для того, щоб процес відбувався. Але, як ми побачимо, еволюційні процеси призвели до присутності організмів, по суті, скрізь на Землі, які можуть вижити життя - в сучасному світі практично не залишилося привітних і стерильних місць. Тут ми бачимо важливість історії. Згідно з сучасним науковим поглядом, життя могло виникнути de novo лише за відсутності життя; як тільки життя виникло, умови змінилися. Наявність життя, як очікується, пригнічує зародження нових форм життя. Як тільки життя була присутня, вижити могли тільки її нащадки.