Вопрос происхождения жизни на Земле — один из самых сложных вопросов современного естествознания, на который до настоящего времени нет однозначного ответа.
Существует несколько теорий происхождения жизни на Земле, наиболее известные из которых:
Рассмотрим основные положения этих теорий.
Теория самопроизвольного зарождения жизни была широко распространена в Древнем мире — Вавилоне, Китае, Древнем Египте и Древней Греции (этой теории придерживался, в частности, Аристотель).
Ученые Древнего мира и средневековой Европы верили в то, что живые существа постоянно возникают из неживой материи: черви — из грязи, лягушки — из тины, светлячки — из утренней росы и т.п. Так, известный голландский ученый 17 в. Ван-Гельмонт совершенно серьезно описывал в своем научном трактате опыт, в котором он за 3 недели получил в запертом темном шкафу мышей непосредственно из грязной рубашки и горсти пшеницы. Впервые широко распространенную теорию решился подвергнуть экспериментальной проверке итальянский ученый Франческо Реди (1688). Он поместил несколько кусков мяса в сосуды и часть из них закрыл кисеей. В открытых сосудах на поверхности гниющего мяса появились белые червячки — личинки мух. В сосудах же, прикрытых кисеей, личинки мух отсутствовали. Таким образом Ф. Реди удалось доказать, что личинки мух появляются не из гниющего мяса, а из яиц, отложенных мухами на его поверхность.
В 1765 г. известный итальянский ученый и врач Ладзаро Спаланцани прокипятил в запаянных стеклянных колбах мясные и овощные бульоны. Бульоны в запаянных колбах не портились. Он сделал вывод, что под действием высокой температуры погибли все живые существа, способные вызывать порчу бульона. Однако опыты Ф. Реди и Л. Спаланцани убедили далеко не всех. Ученые-виталисты (от лат.vita - жизнь) считали, что в прокипяченном бульоне не происходит самозарождения живых существ, так как в нем разрушается особая «жизненная сила», которая не может проникнуть в запаянный сосуд, поскольку переносится по воздуху.
Споры но поводу возможности самозарождения жизни активизировались в связи с открытием микроорганизмов. Если сложные живые существа не могут самозарождаться, возможно, это могут микроорганизмы?
В связи с этим в 1859 г. французская Академия объявила о присуждении премии тому, кто окончательно решит вопрос о возможности или невозможности самозарождения жизни. Эту премию получил в 1862 г. знаменитый французский химик и микробиолог Луи Пастер. Так же как Спаланцани, он прокипятил питательный бульон в стеклянной колбе, но колба была не обычная, а с горлышком в виде 5-образной трубки. Воздух, а следовательно и «жизненная сила», могли проникать в колбу, но пыль, а вместе с нею и микроорганизмы, присутствующие в воздухе, оседали в нижнем колене 5-образной трубки, и бульон в колбе оставался стерильным (рис. 1). Однако стоило сломать горло колбы или ополоснуть стерильным бульоном нижнее колено 5-образной трубки, как бульон начинал быстро мутнеть — в нем появлялись микроорганизмы.
Таким образом, благодаря работам Луи Пастера теория самозарождения была признана несостоятельной и в научном мире утвердилась теория биогенеза, краткая формулировка которой — «все живое — от живого».
Рис. 1. Пастеровская колба
Однако, если все живые организмы в исторически обозримый период развития человечества происходят только от других живых организмов, естественно возникает вопрос: когда и каким образом появились на Земле первые живые организмы?
Теория креационизма предполагает, что все живые организмы (либо только простейшие их формы) были в определенный период времени сотворены («сконструированы») неким сверхъестественным существом (божеством, абсолютной идеей, сверхразумом, сверхцивилизацией и т.п.). Очевидно, что именно этой точки зрения с глубокой древности придерживались последователи большинства ведущих религий мира, в частности христианской религии.
Теория креационизма и в настоящее время достаточно широко распространена, причем не только в религиозных, но и в научных кругах. Обычно ее используют для объяснения наиболее сложных, не имеющих на сегодняшний день решения вопросов биохимической и биологической эволюции, связанных с возникновением белков и нуклеиновых кислот, формированием механизма взаимодействия между ними, возникновением и формированием отдельных сложных органелл или органов (таких, как рибосома, глаз или мозг). Актами периодическою «сотворения» объясняется и отсутствие четких переходных звеньев от одного типа животных
к другому, например от червей к членистоногим, от обезьяны к человеку и т.п. Необходимо подчеркнуть, что философский спор о первичности сознания (сверхразума, абсолютной идеи, божества) либо материи принципиально не разрешим, однако, поскольку попытка объяснить любые трудности современной биохимии и эволюционной теории принципиально непостижимыми сверхъестественными актами творения выводит эти вопросы за рамки научных исследований, теорию креационизма нельзя отнести к разряду научных теорий происхождения жизни на Земле.
Обе эти теории представляют собой взаимодополняющие элементы единой картины мира, сущность которой заключается в следующем: вселенная существует вечно и в ней вечно существует жизнь (стационарное состояние). Жизнь переносится с планеты на планету путешествующими в космическом пространстве «семенами жизни», которые могут входить в состав комет и метеоритов (панспермия). Подобных взглядов на происхождение жизни придерживался, в частности, основоположник учения о биосфере академик В.И. Вернадский.
Однако теория стационарного состояния, предполагающая бесконечно долгое существование вселенной, не согласуется с данными современной астрофизики, согласно которым вселенная возникла сравнительно недавно (около 16 млрд лет т.н.) путем первичного взрыва.
Очевидно, что обе теории (панспермии и стационарного состояния) вообще не предлагают объяснения механизма первичного возникновения жизни, перенося его на другие планеты (панспермия) либо отодвигая по времени в бесконечность (теория стационарного состояния).
Из всех теорий происхождения жизни наиболее распространенной и признанной в научном мире является теория биохимической эволюции, предложенная в 1924 г. советским биохимиком академиком А.И. Опариным (в 1936 г. он подробно изложил ее в своей книге «Возникновение жизни»).
Сущность этой теории состоит в том, что биологической эволюции — т.е. появлению, развитию и усложнению различных форм живых организмов, предшествовала химическая эволюция — длительный период в истории Земли, связанный с появлением, усложнением и совершенствованием взаимодействия между элементарными единицами, «кирпичиками», из которых состоит все живое — органическими молекулами.
По мнению большинства ученых (в первую очередь астрономов и геологов), Земля сформировалась как небесное тело около 5 млрд лет т.н. путем конденсации частиц вращавшегося вокруг Солнца газопылевого облака.
Под влиянием сил сжатия частицы, из которых формируется Земля, выделяют огромное количество тепла. В недрах Земли начинаются термоядерные реакции. В результате Земля сильно разогревается. Таким образом, 5 млрд лет т.н. Земля представляла собой несущийся в космическом пространстве раскаленный шар, температура поверхности которою достигала 4000-8000°С (смеха. 2).
Постепенно, за счет излучения тепловой энергии в космическое пространство, Земля начинает остывать. Около 4 млрд лет т.н. Земля остывает настолько, что на ее поверхности формируется твердая кора; одновременно из ее недр вырываются легкие, газообразные вещества, поднимающиеся вверх и формирующие первичную атмосферу. По составу первичная атмосфера существенно отличалась от современной. Свободный кислород в атмосфере древней Земли, по-видимому, отсутствовал, а в ее состав входили вещества в восстановленном состоянии, такие, как водород (Н 2), метан (СН 4), аммиак (NH 3), пары воды (Н 2 О), а возможно, также азот (N 2), окись и двуокись углерода (СО и С0 2).
Восстановительный характер первичной атмосферы Земли чрезвычайно важен для зарождения жизни, поскольку вещества в восстановленном состоянии обладают высокой реакционной способностью и в определенных условиях способны взаимодействовать друг с другом, образуя органические молекулы. Отсутствие в атмосфере первичной Земли свободного кислорода (практически весь кислород Земли был связан в виде окислов) также является важной предпосылкой возникновения жизни, поскольку кислород легко окисляет и тем самым разрушает органические соединения. Поэтому при наличии в атмосфере свободного кислорода накопление на древней Земле значительного количества органических веществ было бы невозможно.
Около 5 млрд лет т.п. — возникновение Земли как небесного тела; температура поверхности — 4000-8000°С
Около 4 млрд лет т.н. - формирование земной коры и первичной атмосферы
При температуре 1000°С — в первичной атмосфере начинается синтез простых органических молекул
Энергию для синтеза дают:
Температура первичной атмосферы ниже 100°С — формирование первичного океана -
Синтез сложных органических молекул — биополимеров из простых органических молекул:
Схема. 2. Основные этапы химической эволюции
Когда температура первичной атмосферы достигает 1000°С, в ней начинается синтез простых органических молекул, таких, как аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты, простые сахара, многоатомные спирты, органические кислоты и др. Энергию для синтеза поставляют грозовые разряды, вулканическая деятельность, жесткое космическое излучение и, наконец, ультрафиолетовое излучение Солнца, от которого Земля еще не защищена озоновым экраном, причем именно ультрафиолетовое излучение ученые считают основным источником энергии для абиогенного (т.е. проходящею без участия живых организмов) синтеза органических веществ.
Признанию и широкому распространению теории А.И. Опарина во многом способствовало то, что процессы абиогенного синтеза органических молекул легко воспроизводятся в модельных экспериментах.
Возможность синтеза органических веществ из неорганических была известна с начала 19 в. Уже в 1828 г. выдающийся немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал органическое вещество — мочевину из неорганическою — циановокислого аммония. Однако возможность абиогенного синтеза органических веществ в условиях, близких к условиям древней Земли, была впервые показана в опыте С. Миллера.
В 1953 г. молодой американский исследователь, студент- дипломник Чикагского университета Стенли Миллер воспроизвел в стеклянной колбе с впаянными в нес электродами первичную атмосферу Земли, которая, по мнению ученых того времени, состояла из водорода метана СН 4 , аммиака NH, и паров воды Н 2 0 (рис. 3). Через эту газовую смесь С. Миллер в течение недели пропускал электрические разряды, имитирующие грозовые. По окончании эксперимента в колбе были обнаружены α-аминокислоты (глицин, аланин, аспарагин, глутамин), органические кислоты (янтарная, молочная, уксусная, гликоколовая), у-оксимасляная кислота и мочевина. При повторении опыта С. Миллеру удалось получить отдельные нуклеотиды и короткие полинуклеотидные цепочки из пяти-шести звеньев.
Рис. 3. Установка С. Миллера
В дальнейших опытах по абиогенному синтезу, проводимых различными исследователями, использовались не только электрические разряды, но и другие виды энергии, характерные для древней Земли, — космическое, ультрафиолетовое и радиоактивное излучения, высокие температуры, присущие вулканической деятельности, а также разнообразные варианты газовых смеси, имитирующих первичную атмосферу. В результате был получен практически весь спектр органических молекул, характерных для живого: аминокислоты, нуклеотиды, жироподобные вещества, простые сахара, органические кислоты.
Более того, абиогенный синтез органических молекул может происходить на Земле и в настоящее время (например, в процессе вулканической деятельности). При этом в вулканических выбросах можно обнаружить не только синильную кислоту HCN, являющуюся предшественником аминокислот и нуклеотидов, но и отдельные аминокислоты, нуклеотиды и даже такие сложные по строению органические вещества, как порфирины. Абиогенный синтез органических веществ возможен не только на Земле, но и в космическом пространстве. Простейшие аминокислоты обнаружены в составе метеоритов и комет.
Когда температура первичной атмосферы опустилась ниже 100°С, на Землю обрушились горячие дожди и появился первичный океан. С потоками дождя в первичный океан поступали абиогенно синтезированные органические вещества, что превратило его, но образному выражению английского биохимика Джона Холдейна, в разбавленный «первичный бульон». По-видимому, именно в первичном океане начинаются процессы образования из простых органических молекул — мономеров сложных органических молекул — биополимеров (см. рис. 2).
Однако процессы полимеризации отдельных нуклеогидов, аминокислот и Сахаров — это реакции конденсации, они протекают с отщеплением воды, следовательно, водная среда способствует не полимеризации, а, напротив, гидролизу биополимеров (т.е. разрушению их с присоединением воды).
Образование биополимеров (в частности, белков из аминокислот) могло происходить в атмосфере при температуре около 180°С, откуда они смывались в первичный океан с атмосферными осадками. Кроме того, возможно, на древней Земле аминокислоты концентрировались в пересыхающих водоемах и полимеризовались в сухом виде под действием ультрафиолетового света и тепла лавовых потоков.
Несмотря на то что вода способствует гидролизу биополимеров, в живой клетке синтез биополимеров осуществляется именно в водной среде. Этот процесс катализируют особые белки-катализаторы — ферменты, а необходимая для синтеза энергия выделяется при распаде аденозинтрифосфорной кислоты — АТФ. Возможно, синтез биополимеров в водной среде первичного океана катализировался поверхностью некоторых минералов. Экспериментально показано, что раствор аминокислоты аланина может полимеризоваться в водной среде в присутствии особого вида глинозема. При этом образуется пептид полиаланин. Реакция полимеризации аланина сопровождается распадом АТФ.
Полимеризация нуклеотидов проходит легче, чем полимеризация аминокислот. Показано, что в растворах с высокой концентрацией солей отдельные нуклеотиды самопроизвольно полимеризуются, превращаясь в нуклеиновые кислоты.
Жизнь всех современных живых существ — это процесс непрерывного взаимодействия важнейших биополимеров живой клетки — белков и нуклеиновых кислот.
Белки — это «молекулы-рабочие», «молекулы-инженеры» живой клетки. Характеризуя их роль в обмене веществ, биохимики часто используют такие образные выражения, как «белок работает», «фермент ведет реакцию». Важнейшая функция белков- каталитическая . Как известно, катализаторы — это вещества, которые ускоряют химические реакции, но сами в конечные продукты реакции не входят. Бачки-катализаторы называются ферментами. Ферменты в согни и тысячи раз ускоряют реакции обмена веществ. Обмен веществ, а значит, и жизнь без них невозможны.
Нуклеиновые кислоты — это «молекулы-компьютеры», молекулы — хранители наследственной информации. Нуклеиновые кислоты хранят информацию не обо всех веществах живой клетки, а только о белках. Достаточно воспроизвести в дочерней клетке белки, свойственные материнской клетке, чтобы они точно воссоздали все химические и структурные особенности материнской клетки, а также свойственный ей характер и темпы обмена веществ. Сами нуклеиновые кислоты также воспроизводятся благодаря каталитической активности белков.
Таким образом, тайна зарождения жизни — это тайна возникновения механизма взаимодействия белков и нуклеиновых кислот. Какими же сведениями об этом процессе располагает современная наука? Какие молекулы явились первичной основой жизни — белки или нуклеиновые кислоты?
Ученые полагают, что несмотря на ключевую роль белков в обмене веществ современных живых организмов, первыми «живыми» молекулами были не белки, а нуклеиновые кислоты, а именно рибонуклеиновые кислоты (РНК).
В 1982 г. американский биохимик Томас Чек открыл автокаталитические свойства РНК. Он экспериментально показал, что в среде, содержащей в высокой концентрации минеральные соли, рибонуклеотиды спонтанно (самопроизвольно) полимеризуются, образуя полинуклеотиды — молекулы РНК. На исходных полинуклеотидных цепях РНК, как на матрице, путем спаривания комплементарных азотистых оснований образуются РНК-копии. Реакция матричного копирования РНК катализируется исходной молекулой РНК и не требует участия ферментов либо других белков.
Дальнейшие события достаточно хорошо объясняются процессом, который можно было бы назвать «естественным отбором» на уровне молекул. При самокопировании (самосборке) молекул РНК неизбежно возникают неточности, ошибки. Содержащие ошибки копии РНК снова копируются. При повторном копировании вновь могут возникнуть ошибки. В результате популяция молекул РНК на определенном участке первичного океана будет неоднородна.
Поскольку параллельно с процессами синтеза идут и процессы распада РНК, в реакционной среде будут накапливаться молекулы, обладающие либо большей стабильностью, либо лучшими автокаталитическими свойствами (т.е. молекулы, которые быстрее себя копируют, быстрее «размножаются»).
На некоторых молекулах РНК, как на матрице, может происходить самосборка небольших белковых фрагментов — пептидов. Вокруг молекулы РНК образуется белковый «чехол».
Наряду с автокаталитическими функциями Томас Чек обнаружил у молекул РНК и явление самосплайсинга. В результате самосплайсинга участки РНК, не защищенные пептидами, самопроизвольно удаляются из РНК (они как бы «вырезаются» и «выбрасываются»), а оставшиеся участки РНК, кодирующие белковые фрагменты, «срастаются», т.е. самопроизвольно объединяются в единую молекулу. Эта новая молекула РНК уже будет кодировать большой сложный белок (рис. 4).
По-видимому, первоначально белковые чехлы выполняли в первую очередь, защитную функцию, предохраняя РНК от разрушения и повышая тем самым ее стабильность в растворе (такова функция белковых чехлов и у простейших современных вирусов).
Очевидно, что на определенном этапе биохимической эволюции преимущество получили молекулы РНК, кодирующие не только защитные белки, но и белки-катализаторы (ферменты), резко ускоряющие скорость копирования РНК. По-видимому, именно таким образом и возник процесс взаимодействия белков и нуклеиновых кислот, который мы в настоящее время называем жизнью.
В процессе дальнейшего развития, благодаря появлению белка с функциями фермента — обратной транскриптазы, на одно- цепочечных молекулах РНК стали синтезироваться состоящие из двух цепей молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Отсутствие у дезоксирибозы ОН-группы в 2" положении делает молекулы ДНК более стабильными по отношению к гидролитическому расщеплению в слабощелочных растворах, а именно слабощелочной была реакция среды в первичных водоемах (эта реакция среды сохранилась и в цитоплазме современных клеток).
Где же происходило развитие сложного процесса взаимодействия белков и нуклеиновых кислот? По теории А.И. Опарина, местом зарождения жизни стали так называемые коацерватные капли.
Рис. 4. Гипотеза возникновения взаимодействия белков и нуклеиновых кислот: а) в процессе самокопирования РНК накапливаются ошибки (1 — нуклеотиды, соответствующие исходной РНК; 2 — нуклеотиды, не соответствующие исходной РНК, — ошибки в копировании); б) на часть молекулы РНК за счет ее физико-химических свойств «налипают» аминокислоты (3 — молекула РНК; 4 — аминокислоты), которые, взаимодействуя друг с другом, превращаются в короткие белковые молекулы — пептиды. В результате свойственного молекулам РНК самосплайсинга незащищенные пептидами участки молекулы РНК разрушаются, а оставшиеся «срастаются» в единую молекулу, кодирующую крупный белок. В результате возникает молекула РНК, покрытая белковым чехлом (сходное строение имеют и наиболее примитивные современные вирусы, например вирус табачной мозаики)
Явление коацервации состоит в том, что в некоторых условиях (например, в присутствии электролитов) высокомолекулярные вещества отделяются от раствора, но не в форме осадка, а в виде более кон центрирован но го раствора — коацервата. При встряхивании коацерват распадается на отдельные мелкие капельки. В воде такие капли покрываются стабилизирующей их гидратной оболочкой (оболочкой из молекул воды) — рис. 5.
Коацерватные капли обладают некоторым подобием обмена веществ: иод воздействием чисто физико-химических сил они могут избирательно впитывать из раствора некоторые вещества и выделять в окружающую среду продукты их распада. За счет избирательного концентрирования веществ из окружающей среды они могут расти, а но достижении определенного размера начинают «размножаться», отпочковывая маленькие капельки, которые, в свою очередь, могут расти и «почковаться».
Возникшие в результате концентрирования белковых растворов коацерватные капли в процессе перемешивания под действием волн и ветра могут покрываться оболочкой из липи- дов: одинарной, напоминающей мицеллы мыла (при однократном отрыве капли от поверхности воды, покрытой липидным слоем), либо двойной, напоминающей клеточную мембрану (при повторном падении капли, покрытой однослойной липидной мембраной, на липидную пленку, покрывающую поверхность водоема — рис. 5).
Процессы возникновения коацерватных капель, их роста и «почкования», а также «одевания» их мембраной из двойного липидного слоя легко моделируются в лабораторных условиях.
Для коацерватных капель также существует процесс «естественного отбора», при котором в растворе сохраняются наиболее стабильные капли.
Несмотря на внешнее сходство коацерватных капель с живыми клетками, у коацерватных капель отсутствует главный признак живого — способность к точному самовоспроизведению, самокопированию. Очевидно, предшественниками живых клеток явились такие коацерватные капли, в состав которых вошли комплексы молекул-репликаторов (РНК или ДНК) и кодируемых ими белков. Возможно, комплексы РНК-белок длительное время существовали вне коацерватных капель в виде так называемого «свободноживущего гена», а возможно, их формирование проходило непосредственно внутри некоторых коацерватных капель.
Возможный путь перехода от коацерватных капель к примитивным клешам:
а) образование коацервата; 6) стабилизация коацерватных капель в водном растворе; в) — формирование вокруг капли двойного липидного слоя, похожего на клеточную мембрану: 1 — коацерватная капля; 2 — мономолекулярный слой липида на поверхности водоема; 3 — формирование вокруг капли одинарного липидного слоя; 4 — формирование вокруг капли двойного липидного слоя, похожего на клеточную мембрану; г) — коацерватная капля, окруженная двойным липидным слоем, с вошедшим в ее состав белково-нуклеотидным комплексом — прообраз первой живой клетки
Исключительно сложный, не до конца понятный современной науке процесс возникновения жизни на Земле прошел с исторической точки зрения чрезвычайно быстро. Уже 3,5 млрд лет т.н. химическая эволюция завершилась появлением первых живых клеток и началась биологическая эволюция.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
БГПУ ИМ. М. ТАНКА
ФАКУЛЬТЕТ СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
КАФЕДРА ОСНОВ ДЕФЕКТОЛОГИИ
Реферат
по дисциплине «Естествознание»
на тему:
«Основные гипотезы о возникновении жизни на Земле».
Выполнила:
студентка Iкурса 101 группы
заочного отделения (бюджетная
форма обучения)
……… Ирина Анатольевна
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………..….1
1. КРЕАЦИОНИЗМ……………………………………………………….…….1
2. ТЕОРИЯ СТАЦИОНАРНОГО СОСТОЯНИЯ…………..……………….….2
3. ТЕОРИЯ САМОПРОИЗВОЛЬНОГО САМОЗАРОЖДЕНИЯ…………..…3
4. ТЕОРИЯ ПАНСПЕРМИИ…………………………………………...............7
5. ТЕОРИЯ А. И. ОПАРИНА……………...……………………………..……10
6. СОВРЕМЕННЫЕ ВОЗЗРЕНИЯ НА ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ…………………………………………………………………………....12
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………...……..14
ЛИТЕРАТУРА …………………………………………………………...……...15
ВВЕДЕНИЕ.
Проблема происхождения жизни на Земле и возможности ее существования в других областях Вселенной издавна привлекала внимание как ученых и философов, так и простых людей. За последние годы интерес к этой "вечной проблеме" значительно возрос.
Это обусловлено двумя обстоятельствами: во-первых, значительными успехами в лабораторном моделировании некоторых этапов эволюции материи, приведшей к зарождению жизни, и, во-вторых, стремительным развитием космических исследований, делающих все более реальным непосредственный поиск каких-либо форм жизни на планетах Солнечной системы, а в будущем и за ее пределами.
Происхождение жизни - один из самых таинственных вопросов, исчерпывающий ответ на который вряд ли когда-нибудь будет получен. Множество гипотез и даже теорий о возникновении жизни, объясняющих различные стороны этого явления, неспособны пока что преодолеть существенное обстоятельство - экспериментально подтвердить факт появления жизни. Современная наука не располагает прямыми доказательствами того, как и где возникла жизнь. Существуют лишь логические построения и косвенные свидетельства, полученные путем модельных экспериментов, и данные в области палеонтологии, геологии, астрономии и т. п.
Теории, касающиеся возникновения жизни на Земле, разнообразны и далеко не достоверны. Наиболее распространенными теориями возникновения жизни на Земле являются следующие:
1. Жизнь была создана сверхъестественным существом (Творцом) в определенное время (креационизм).
2. Жизнь существовала всегда (теория стационарного состояния).
3. Жизнь возникала неоднократно из неживого вещества (самопроизвольное зарождение).
4. Жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия).
5. Жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам (биохимическая эволюция).
1. КРЕАЦИОНИЗМ.
Креационизм (от лат. creaсio - создание) - философско-методологическая концепция, в рамках которой всё многообразие органического мира, человечества, планеты Земля, а также мир в целом, рассматриваются как намеренно созданные неким сверхсуществом (Творцом) или божеством. Никаких научных подтверждений этой точки зрения нет: в религии истина постигается через божественное откровение и веру. Процесс сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения.
Теории креационизма придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений (особенно христиане, мусульмане, иудеи). Согласно этой теории, возникновение жизни относится к какому-то определённому сверхъестественному событию в прошлом, которое можно вычислить. В 1650 году архиепископ Ашер из г. Арма (Ирландия) вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н. э. и закончил свой труд 23 октября в 9 часов утра, создав человека. Ашер получил эту дату, сложив возраст всех людей, упоминающихся в Библейской генеалогии, от Адама до Христа («кто кого родил»). С точки зрения арифметики, это разумно, однако при этом получается, что Адам жил в то время, когда, как показывают археологические находки, на Ближнем Востоке уже существовала хорошо развитая городская цивилизация.
Традиционное иудейско-христианское представление о сотворении мира, изложенное в Книге Бытия, вызывало и продолжает вызывать споры. Однако существующие противоречия не опровергают концепцию творения. Гипотеза творения не может быть ни доказана, ни опровергнута и будет существовать всегда вместе с научными гипотезами происхождения жизни.
Креационизм мыслится как Божье Творение. Однако в настоящее время некоторые рассматривают его и как результат деятельности высокоразвитой цивилизации, создающей различные формы жизни и наблюдающей за их развитием.
2. ТЕОРИЯ СТАЦИОНАРНОГО СОСТОЯНИЯ.
Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно. Согласно этой версии, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности - либо изменение численности, либо вымирание.
По современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада, возраст Земли исчисляется 4,6 млрд. лет. Более совершенные методы датирования дают все более высокие оценки возраста Земли, что позволяет сторонникам теории стационарного состояния полагать, что Земля существовала всегда.
Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб - латимерию (целаканта). Считалось, что кистепёрая рыба (целакант) представляет собой переходную форму от рыб к земноводным и вымерла 60-90 млн. лет назад (в конце мелового периода). Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в 1939 году у побережья о. Мадагаскар был выловлен 1-й живой целакант, а затем и другие экземпляры. Таким образом, целакант не является переходной формой.
Были найдены и многие другие, считавшиеся вымершими, животные, например, лингула - маленькое морское животное, якобы вымершее 500 миллионов лет назад, живо и сегодня и как другие "живые ископаемые": солендон - землеройка, туатара - ящерица. За миллионы лет они не претерпели никаких эволюционных изменений.
Ещё один пример заблуждения это археоптерикс - существо, связующее птиц и пресмыкающихся, переходная форма на пути превращения рептилий в птиц. Но в 1977 году в штате Колорадо были обнаружены окаменелости птиц, возраст которых соизмерим и даже превышает возраст останков археоптерикса, т.е. он не является переходной формой.
Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте.
Так, например, внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков.
Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, и она наиболее подробно разработана именно в этом направлении.
Гипотезу стационарного состояния иногда называют гипотезой этернизма (от лат. еternus – вечный). Гипотеза этернизма была выдвинута немецким учёным В. Прейером в 1880 г.
Взгляды Прейера поддерживал академик Владимир Иванович Вернадский (1864 – 1945), автор учения о биосфере. Вернадский считал, что жизнь - такая же вечная основа космоса, которыми являются материя и энергия. «Мы знаем, и знаем это научно, - твердил он, - что Космос без материи, без энергии не может существовать. И достаточно ли материи и без выявления жизни - для построения Космоса, той Вселенной, который доступный человеческому уму?». На этот вопрос он ответил отрицательно, ссылаясь именно на научные факты, а не на личные симпатии, философские или религиозные убеждения. «...Можно говорить о вечности жизни и проявлений ее организмов, как можно твердить о вечности материального субстрата небесных тел, их тепловых, электрических, магнитных свойств и их проявлений. С этой точки зрения таким же далеким от научных поисков будет вопрос о начале жизни, как и вопрос о начале материи, теплоты, электрики, магнетизма, движения».
Исходя из представления о биосфере как о земном, но одновременно и космическом механизме, Вернадский связывал ее образование и эволюцию с организованностью Космоса. «Для нас становится понятным, - писал он, - что жизнь есть явление космическое, а не сугубо земное». Эту мысль Вернадский повторял многократно: «...начала жизни в том Космосе, который мы наблюдаем, не было, поскольку не было начала этого Космоса. Жизнь вечна, поскольку вечный Космос».
3. ТЕОРИЯ САМОПРОИЗВОЛЬНОГО ЗАРОЖДЕНИЯ.
Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Религиозные учения всех времен и всех народов приписывали обычно появление жизни тому или другому творческому акту божества. Весьма наивно решали этот вопрос и первые исследователи природы. Аристотель (384 – 322 гг. до н. э.), которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения жизни. Даже для такого выдающегося ума древности, каким являлся Аристотель, принять представление о том, что животные - черви, насекомые и даже рыбы - могли возникнуть из ила, не представляло особых затруднений. Напротив, этот философ утверждал, что всякое сухое тело, становясь влажным, и, наоборот, всякое мокрое тело, становясь сухим, родят животных.
Известно, что научные журналы стараются не принимать к публикации статьи, посвященные проблемам, привлекающим всеобщее внимание, но не имеющим четкого решения, - серьезное издание по физике не будет публиковать проект вечного двигателя. Такой темой стало происхождение жизни на Земле. Вопрос о возникновении живой природы, о появлении человека волнует думающих людей многие тысячелетия, а однозначный ответ нашли для себя только креационисты - сторонники божественного происхождения всего сущего, но научной эта теория не является как не подлежащая проверке.
О появлении живых существ из воды и гниющих остатков повествуют древнекитайские и древнеиндийские рукописи, о рождении земноводных существ в илистых отложениях больших рек написано древнеегипетскими иероглифами и клинописью Древнего Вавилона. Гипотезы происхождения жизни на Земле путем самозарождения для мудрецов далекого прошлого были очевидны.
Античные философы также приводили примеры появления животных из неживой материи, но их теоретические обоснования имели разную природу: материалистическую и идеалистическую. Демокрит (460-370 до н. э.) находил причину возникновения жизни в особом взаимодействии мельчайших, вечных и неделимых частиц - атомов. Платон (428-347 до н. э.) и Аристотель (384-322 до н. э.) происхождение жизни на Земле объясняли чудесным воздействием на безжизненную материю высшего начала, вселяющего душу в объекты природы.
Идея о существовании некой «жизненной силы», способствующей появлению живых существ, оказалась очень стойкой. Она формировала взгляды на происхождение жизни на Земле у многих ученых, живших в средние века и позднее, вплоть до конца XIX века.
Антони ван Левенгук (1632-1723 гг.) с изобретением микроскопа сделал открытые им мельчайшие микроорганизмы главным предметом спора между учеными, разделявшими две основные теории происхождения жизни на Земле - биогенез и абиогенез. Первые считали, что все живое может быть порождением только живого, вторые полагали возможным самозарождение органической материи в растворах, помещенных в особые условия. Суть этого спора не изменилась до сих пор.
Эксперименты одних натуралистов доказывали возможность самопроизвольного возникновения простейших микроорганизмов, сторонники биогенеза полностью отрицали такую вероятность. Луи Пастер (1822-1895 гг.) строго научными методами, высокой корректностью своих опытов доказал отсутствие мифической жизненной силы, передающейся по воздуху и порождающей живые бактерии. Однако в своих работах он допускал возможность самозарождения в каких-то особых условиях, выяснить которые предстояло ученым будущих поколений.
Труды великого Чарльза Дарвина (1809-1882 гг.) потрясли основы многих естественных наук. Провозглашенное им появление огромного многообразия биологических видов от одного общего предка опять сделало происхождение жизни на Земле важнейшим вопросом науки. Теория естественного отбора и в начале с трудом находила своих сторонников, и теперь подвергается критическим атакам, которые выглядят достаточно обоснованно, но именно дарвинизм лежит в основе современных естественных наук.
После Дарвина происхождение жизни на Земле биология не могла рассматривать с прежних позиций. Ученые многих отраслей биологической науки убеждались в истинности эволюционного пути развития организмов. Пусть во многом изменились современные взгляды на общего предка, помещенного Дарвиным в основание Древа жизни, но истинность общей концепции незыблема.
Лабораторное опровержение спонтанного самозарождения бактерий и других микроорганизмов, осознание сложного биохимического строения клетки вместе с идеями дарвинизма оказали особое влияние на появление альтернативных вариантов теории происхождения жизни на Земле. В 1880 году одно из новых суждений предложил Вильям Прейер (1841-1897 гг.). Он считал, что нет необходимости говорить о рождении жизни на нашей планете, так как она существует вечно, и у неё не было начала как такового, она неизменна и постоянно готова к возрождению в любых подходящих условиях.
Идеи Прейера и его последователей представляют собой только чисто исторический и философский интерес, потому что в дальнейшем астрономы и физики рассчитали сроки конечного существования планетарных систем, зафиксировали постоянное, но неуклонное расширение Вселенной, т. е. она никогда не была ни вечной, ни постоянной.
Стремление рассматривать мир как единую глобальную живую сущность перекликалось со взглядами великого ученого и философа из России - Владимира Ивановича Вернадского (1863-1945 гг.), также имевшего своё представление о происхождении жизни на Земле. Оно основывалось на понимании жизни как неотъемлемой характеристики Вселенной, космоса. По мнению Вернадского, то, что наука не смогла найти пластов, не содержавших следов органических веществ, говорило о геологической вечности жизни. Одним из способов, которым жизнь появилась на молодой планете, Вернадский называл её контакты с космическими объектами - кометами, астероидами и метеоритами. Тут его теория смыкалась с другой версией, объяснявшей происхождение жизни на Земле методом панспермии.
Панспермия (греч. - "семенная смесь", "семена повсюду") считает жизнь фундаментальным свойством материи и не объясняет способов её возникновения, но называет космос источником зародышей жизни, которые попадают на небесные тела с подходящими для их «прорастания» условиями.
Первое упоминание об основных концепциях панспермии можно найти в сочинениях древнегреческого философа Анаксагора (500-428 до н. э.), а в XVIII веке о ней высказывался французский дипломат и геолог Бенуа де Майе (1656-1738 гг.). Реанимировали эти идеи Сванте Август Аррениус (1859-1927 гг.), лорд Кельвин Уильям Томсон (1824-1907 гг.) и Герман фон Гельмгольц (1821-1894 гг.).
Исследование жестокого влияния на живые организмы космического излучения и температурных условий межпланетного пространства сделало подобные гипотезы происхождения жизни на Земле не слишком актуальными, но с началом космической эры интерес к панспермии усилился.
В 1973 году нобелевский лауреат Френсис Крик (1916-2004 гг.) высказал мысль о внеземном производстве молекулярных живых систем и попадании их на Землю с метеоритами и кометами. При этом шансы абиогенеза на нашей планете им оценивались как очень низкие. Происхождение и развитие жизни на Земле методом самосборки органического вещества высокого уровня видный ученый не считал реальностью.
Окаменевшие биологические структуры находили в метеоритах по всей планете, подобные следы нашли в образцах грунта, доставленных с Луны и Марса. С другой стороны, проводятся многочисленные эксперименты по обработке биоструктур воздействиями, возможными при нахождении их в космическом пространстве и при прохождении атмосферы, подобной земной.
Важный эксперимент был проведен в 2006 году в рамках миссии Deep Impact. Комета Темпеля была протаранена специальным зондом-импактором, выпущенным автоматическим аппаратом. Анализ кометного вещества, которое выделилось в результате удара, показал наличие в нем воды и многообразных органических соединений.
Вывод: со времени появления теория панспермии значительно изменилась. Современная наука по-другому трактует те первичные элементы жизни, которые могли быть доставлены на нашу молодую планету космическими объектами. Исследования и эксперименты доказывают жизнестойкость живых клеток в условиях межпланетного путешествия. Всё это делает идею внеземного происхождения земной жизни актуальной. Основными концепциями происхождения жизни на Земле являются теории, в которые панспермия входит или как главная часть, или как способ доставки на Землю компонентов для создания живой материи.
Идея самозарождения живых организмов из неорганических веществ всегда оставалась чуть ли не единственной альтернативой креационизму, и в 1924 году вышла монография из 70 страниц, придавшая этой идее силу проработанной и обоснованной теории. Эта работа называлась «Происхождение жизни», автором её был русский ученый - Александр Иванович Опарин (1894-1980 гг.). В 1929 году, когда труды Опарина еще не были переведены на английский язык, похожие концепции происхождения жизни на Земле высказал английский биолог Джон Холдейн (1860-1936 гг.).
Опарин предположил, что, если примитивная атмосфера молодой планеты Земля была восстановительной (то есть не содержащей кислорода), мощный всплеск энергии (например, молния или ультрафиолетовое излучение) мог способствовать синтезу органических соединений из неорганического вещества. В дальнейшем такие молекулы могли образовывать сгустки и скопления - коацерватные капли, представляющие собой протоорганизмы, вокруг которых образуются водные рубашки - зачатки оболочки-мембраны, происходит расслоение, порождающее разность зарядов, значит, движение - начало обмена веществ, зачатки метаболизма и т. д. Коацерваты считались основой для начала эволюционных процессов, которые привели к созданию первых жизненных форм.
Холдейн ввел понятие «первичного бульона» - начального земного океана, ставшего огромной химической лабораторией, подключенной к мощному источнику питания - солнечному свету. Сочетание диоксида углерода, аммиака и ультрафиолетового излучения привело к появлению концентрированной популяции органических мономеров и полимеров. Впоследствии такие образования соединялись с появлением вокруг них липидной мембраны, и их развитие привело к образованию живой клетки.
Согласно теории возникновения Вселенной из сгустка энергии, Большой Взрыв произошел около 14 млрд лет назад, а около 4,6 млрд лет назад завершилось создание планет Солнечной системы.
Молодая Земля, постепенно охлаждаясь, обрела твердую оболочку, вокруг которой происходило образование атмосферы. Первичная атмосфера содержала водяные пары и газы, в дальнейшем послужившие сырьем для органического синтеза: оксид и диоксид углерода, сероводород, метан, аммиак, цианистые соединения.
Бомбардировка космическими объектами, содержащими воду в замерзшем состоянии, и конденсация водных паров в атмосфере привели к образованию Мирового океана, в котором растворялись различные химические соединения. Мощные грозы сопровождали формирование атмосферы, сквозь которую проникало сильное ультрафиолетовое излучение. В таких условиях происходил синтез аминокислот, сахаров и другой простейшей органики.
В конце первого миллиарда лет существования Земли начался процесс полимеризации в воде простейших мономеров в белки (полипептиды) и нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды). Они начали образовывать предбиологические соединения - коацерваты (с зачатками ядра, метаболизма и мембраны).
3,5-3 млрд лет до нашей эры - этап образования протобионтов, обладающих самовоспроизведением, регулируемым обменом веществ, мембраной с изменяемой проницаемостью.
3 млрд лет до н. э. - появление клеточных организмов, нуклеиновых кислот, первичных бактерий, начало биологической эволюции.
Многие ученые положительно оценили основные концепции происхождения жизни на Земле на основе абиогенеза, хотя с самого начала находили в теории Опарина-Холдейна узкие места и недоговоренности. В разных странах начались работы по проведению тестовых исследований гипотезы, из которых наиболее известен классический эксперимент, проведенный в 1953 году американскими учеными Стенли Миллером (1930-2007 гг.) и Гарольдом Юри (1893-1981 гг.).
Суть эксперимента заключалась в моделировании в лаборатории условий ранней Земли, в которых мог происходить синтез простейших органических соединений. В приборе циркулировала газовая смесь, аналогичная по составу первичной земной атмосфере. Конструкция прибора обеспечивала имитацию вулканической деятельности, а пропускаемые через смесь электрические разряды создавали эффект молний.
После недельного циркулирования смеси по системе был отмечен переход десятой части углерода в органические соединения, были обнаружены аминокислоты, сахара, липиды и соединения, предшествующие аминокислотам. Повторные и модифицированные опыты полностью подтвердили возможность абиогенеза в имитируемых условиях ранней Земли. В последующие годы в других лабораториях были проведены повторные опыты. К составу газовой смеси добавлялся сероводород как возможный компонент вулканических выделений, вносились другие некардинальные изменения. В большинстве случаев опыт синтеза органических соединений удавался, хотя попытки пойти дальше и получить более сложные элементы, приближающиеся по составу к живой клетке, успехом не увенчались.
К концу XX века многим ученым, которых не переставала интересовать проблема происхождения жизни на Земле, стало понятно, что при всей стройности теоретических построений и отчетливом опытном подтверждении теория Опарина-Холдейна имеет явные, может быть, непреодолимые изъяны. Главным из них являлась невозможность объяснить появление у протобионтов определяющих для живого организма свойств - размножаться с сохранением наследственных признаков. С открытием генетических клеточных структур, с определением функции и строения ДНК, с развитием микробиологии появился новый кандидат на роль молекулы первожизни.
Им стала молекула рибонуклеиновой кислоты - РНК. Эта макромолекула, входящая в состав всех живых клеток, представляет собой цепь нуклеотидов - простейших органических звеньев, состоящих из атомов азота, моносахарида - рибозы и фосфатной группы. Именно последовательность нуклеотидов является кодом наследственной информации, и у вирусов, например, РНК выполняет ту роль, что у сложных клеточных структур играет ДНК.
Кроме того, учеными открыта уникальная способность некоторых молекул РНК вносить разрывы в другие цепочки или склеивать отдельные элементы РНК, а некоторые играют роль автокатализаторов - то есть способствуют быстрому самовоспроизведению. Относительно небольшие размеры макромолекулы РНК и её упрощенное, по сравнению с ДНК, строение (в одну нить) сделали рибонуклеиновую кислоту главным кандидатом на роль основного элемента добиологических систем.
Окончательно новую теорию возникновения живой материи на планете сформулировал в 1986 году Уолтер Гилберт (род. 1932 г.) - американский физик, микробиолог и биохимик. Не все специалисты были согласны с таким взглядом на происхождение жизни на Земле. Кратко названная «Мир РНК», теория строения добиологического мира нашей планеты не может ответить на простой вопрос, как появилась первая молекула РНК с заданными свойствами, даже если присутствовало огромное количество «строительного материала» в виде нуклеотидов и т. д.
Ответ постарался найти в мае 2004 года Саймон Николас Платтс, а в 2006 году группа ученых под руководством Паскаль Эренфройнд. В качестве исходного материала для РНК с катализирующими свойствами были предложены полиароматические углеводороды.
Мир ПАУ был основан на большой распространенности этих соединений в видимом космосе (они наверняка присутствовали в «первичном бульоне» молодой Земли) и особенностях их кольцеобразного строения, способствующего быстрому соединению с азотистыми основаниями - ключевыми компонентами РНК. Теория ПАУ в очередной раз говорит о злободневности некоторых положений панспермии.
Пока у ученых не будет возможности вернуться на 3 млрд лет назад, тайна возникновения жизни на нашей планете не будет раскрыта - к такому выводу приходят многие из тех, кто занимался этой проблемой. Основными концепциями происхождения жизни на Земле являются: теория абиогенеза и теория панспермии. Они могут во многом пересекаться, но, скорее всего, не смогут ответить: как среди огромного космоса появилась удивительно точно сбалансированная система из Земли и её спутника - Луны, как зародилась на ней жизнь…
Вопрос о происхождении жизни является одним из наиболее трудных вопросов современного естествознания. Однако к нему во все времена был прикован большой интерес. Трудность получения ответа на этот вопрос состоит в том, что сложно точно воспроизвести процессы и явления, происходившие во Вселенной миллиарды лет назад. В то же время нынешнее многообразие форм и проявлений жизни на Земле приковывает к этой проблеме самое пристальное внимание. Сегодня выделяют следующие основные гипотезы происхождения жизни.
Согласно этой гипотезе жизнь и все населяющие Землю виды живых существ созданы Богом. Причем божественное сотворение мира произошло одномоментно, поэтому сам процесс создания жизни не доступен для наблюдений во времени. Кроме того, креационизм не дает ясного толкования происхождения самого Бога Творца и поэтому носит характер постулата. Знаменитый шведский естествоиспытатель К. Линней, а также выдающийся русский химик М. В. Ломоносов поддерживали данную догму возникновения жизни.
Эта гипотеза является разновидностью абиогенеза — происхождение жизни из неживого вещества. Данная гипотеза явилась альтернативой креационизму, когда накопленные знания людей о живой природе подвергли сомнению сотворение жизни Богом. Философы Древней Греции и естествоиспытатели средневековой Европы верили в появление живых организмов из неживой материи. Они считали и пытались доказать, что лягушки и насекомые заводятся в сырой почве, мухи — в гнилом мясе и т. д. Взгляды о самопроизвольном зарождении жизни были распространены практически до конца XVIII в. Только в середине XIX в. французский ученый Луи Пастер доказал, что бактерии вездесущи. При этом любые неживые объекты «заражаются» ими, если не проводить стерилизацию. Таким образом, Пастер подтвердил теорию биогенеза — жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни. Ученый окончательно опроверг концепцию самопроизвольного зарождения жизни.
В 1865 г. немецкий ученый Г. Рихтер предложил гипотезу панспермии , согласно которой жизнь могла быть занесена на Землю из космоса вместе с метеоритами и космической пылью. Сторонником этой гипотезы был великий русский ученый, создатель современного учения о биосфере В. И. Вернадский. Современные исследования подтверждают высокую устойчивость некоторых микроорганизмов и их спор к радиации и низким температурам. В последнее время появились сообщения о том, что в метеоритах обнаружены следы органического вещества. При изучении ближайшей к Земле планеты Марс были найдены структуры, похожие на бактерии, и следы воды. Однако указанные находки не отвечают на вопрос о происхождении жизни.
Биохимическая гипотеза возникновения жизни является наиболее распространенной в настоящее время. Эту гипотезу предложили в 20-е гг. прошлого века русский биохимик А. И. Опарин и английский биолог Дж. Холдейн. Она легла в основу научных представлений о происхождении жизни.
Суть данной гипотезы заключается в том, что на ранних этапах развития Земли существовал продолжительный период абиогенеза. Живые организмы в нем участия не принимали. Для синтеза органических соединений источником энергии служило ультрафиолетовое излучение Солнца. Солнечная радиация не задерживалась озоновым слоем, потому что ни озона, ни кислорода в атмосфере древней Земли не было. Синтезированные аминокислоты, сахара и другие органические соединения в течение десятков миллионов лет запасались в древнем океане. Их накопление в итоге привело к образованию однородной массы, которая была названа Опариным «первичным бульоном». По мнению Опарина, именно в «первичном бульоне» и возникла жизнь.
Опарин считал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам. Именно белки способны образовывать коллоидные комплексы, притягивающие к себе молекулы воды. Такие комплексы, сливаясь друг с другом, формировали коацерваты — структуры, обособленные от остальной массы воды.
Коацерваты обладали некоторыми свойствами живого. Они могли избирательно поглощать из окружающего раствора вещества и увеличиваться в размерах — некое подобие питания и роста . При дроблении коацерватов образовывались новые капли, сохранявшие основные свойства исходного образования — подобие размножения . Но для превращения в первые живые организмы коацерватам не хватало биологических мембран и генетической информации, обеспечивающей воспроизводство.
Следующим шагом в зарождении жизни стало появление мембран. Они могли образовываться из липидных пленок, покрывающих поверхность водоемов. Далее к таким липидным образованиям присоединялись растворенные в воде белки. В результате поверхность коацерватов приобретала структуру и свойства биологической мембраны. Такая мембрана уже могла пропускать внутрь одни вещества и не пропускать другие.
Дальнейшее объединение коацерватов с нуклеиновыми кислотами привело к образованию саморегулирующихся и самовоспроизводящихся первых живых организмов — протобионтов . Эти примитивные первичные организмы были анаэробами и гетеротрофами, питавшимися веществами «первичного бульона». Таким образом, спустя 1 млрд лет, согласно этой гипотезе, завершилось зарождение жизни на Земле.
В настоящее время выделяют следующие основные гипотезы происхождения жизни: гипотезы креационизма, самопроизвольного зарождения, панспермии и биохимическую. Среди современных взглядов ученых на происхождение жизни важнейшее место занимает биохимическая гипотеза. Согласно ей, жизнь на Земле возникла за продолжительный отрезок времени в отсутствие кислорода при наличии химических веществ и постоянного источника энергии.
История жизни на Земле скрывает много тайн. Будут ли они когда-нибудь раскрыты, покажет будущее развитие науки.
Мы ограничимся культурно-историческим рассмотрением всех гипотез возникновения жизни на Земле. В рамках же естественнонаучной концепции особое внимание уделим конструктивно-теоретическим моделям теории биохимической эволюции.
Так как биологическое время – возраст обладает «стрелой времени», направленной от прошлого к будущему и описывается триадой: рождение – старение – гибель, то эволюционная идея возникла уже в мифологии и сформировалась в античной натурфилософии в теорию самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества, при этом предполагалось многократное зарождение на основе наивного трансформизма путем случайного сочетания отдельных органов (Эмпедокл, 495-435 до н.э.), внезапном превращении видов (Анаксимен, 384-322 до н.э.). Аристотель (384-322 до н.э.) оформил теорию самопроизвольного зарождения жизни в теорию постепенного развития живых форм (от простого к сложному), которая пересекается в средние века с теорией креационизма.
Креационизм (созидание, творение) – содержит тезис о божественном творении мира и человека. Согласно этой теории жизнь – результат сверхъестественных событий в прошлом. Многие ученые в эстетике мышления фактически объединяют эволюционную идею с креационизмом. Нам представляется оправданной эстетика мышления российского философа ХХ века Мераба Мамардашвили, приводящая к пересечению сакрального и секулярного мышления в «точке встречи, которой мы помыслили мысль, которую невозможно иметь волей или желанием мысли. Она помыслится или не помыслится. И если помыслится, если мы в этой точке пересечения в полноте собранного бытия, она мимо нас не пройдет. Тогда мы достойны этой мысли или говоря иначе, достойны дара. Дар не вытекает из наших заслуг, мы достойны его, лишь когда он с нами случится и это путь по дуге, а не по горизонтали, поскольку мы сцеплены и сращены с высшим, сверхсознательным».
В ХVII веке возникла теория биогенеза , которая сводится к утверждению, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни, т. е. «живое от живого.» Она была сформирована итальянским врачом и биологом Ф. Реди и известна в литературе как «принцип Реди». Французский биолог Луи Пастер в 1862 году убедительными опытами доказал невозможность самопроизвольного зарождения простейших организмов в современных условиях и утвердил принцип «все живое из живого». Эстетика мышления основателя современной микробиологии и иммунологии Л. Пастера явно пересекается с креационизмом в следующем высказывании: «Чем более я занимаюсь изучением природы, тем более я останавливаюсь в благоговейном изумлении перед делами Творца. Я молюсь во время работ своих в лаборатории».
Принцип дополнительности эволюционных идей с креационизмом характерен и для принципа развития Ж.Б. Ламарка (1744-1829), который постулировал следующие положения: организмы изменчивы; виды (и другие таксономические категории) условны и постепенно преобразуются в новые виды; общая тенденция исторических изменений организмов – постепенное совершенствование их организации (градация), движущей силой которой является изначальное (заложенное Творцом) стремление природы к прогрессу. Для ламаркизма характерны два дополняющих друг друга признака: телеологизм – как присущее организмам стремление к совершенствованию, организмоцентризм – признание организма в качестве элементарной единицы эволюции.
Чарльз Дарвин (1809 - 1882), обобщив отдельные эволюционные идеи, создал стройную развернутую теорию эволюции. Движущими силами эволюции он считал наследственную изменчивость и естественный отбор, а в качестве элементарной единицы эволюции организм каждого вида, т. е. фактически отдельных особей. Выживающие особи дают начало следующему поколению, и таким образом «удачные» положительные изменения передаются следующим поколениям. Очень часто теорию естественного отбора Чарльза Дарвина противопоставляют креационизму. Однако обратимся к эстетике мышления Чарльза Дарвина: «Мир покоится на закономерностях и в своих проявлениях представляется, как продукт разума – это указание на его Творца».
«Бог, воистину dues ex machine, позволяет перескочить пропасть между живым и мертвым, природой и духом, сохранив при этом и пропасть».Бог (Творец) – это сложная, творческая конструкция нашего ума, демонстрирующая способность цивилизующего человечества мыслить абстрактно. В средние века теория креационизма оформляется в конфессиональных философских теологиях и религиях, в основе которых лежит тезис: «Бог познается только через веру», тем самым религия отделила веру в божественное творение мира от науки, т. е. от научного метода познания мира, опирающегося на совокупность эмпирических и теоретических методов. В то же время добро и зло получают в религии священную санкцию и человек обретает внутренний покой и свет для труда в нашем несовершенном мире. Наиболее ярко это выражено в следующем поучение М.В. Ломоносова: «Не здраво рассудителен математик, ежели он хочет Божественную волю измерить циркулем. Таков же богословия учитель, если он думает, что по Псалтарю можно научиться астрономии и химии».
Появление жизни на Земле пытались объяснить и занесением ее из других космических миров. В 1865 году немецкий врач Г. Рихтер выдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), в соответствие с которой жизнь является вечной и зачатки, населяющие мировое пространство могут переносится с одной планеты на другую. Возникла теория стационарного состояния , согласно которой жизнь существовала всегда, опирающаяся в определенной степени и на «принцип Реди». Эта гипотеза была поддержана многими ученными XIX века – У. Томпсоном, Г. Гельмгольцем и другими. Теорию стационарного состояния в определенной степени разделял и наш великий ученый В.И. Вернадский, считавший, что жизнь на Земле появилась одновременно с появлением Земли.
Теория стационарного состояния в модели Рихтера пересекается с теорией панспермии , которую в 1907 году выдвинул известный шведский естествоиспытатель С. Аррениус: «Во Вселенной вечно существуют зародыши жизни, которые движутся в космическом пространстве под давлением световых лучей; попадая в сферу притяжения планеты, они оседают на ее поверхности и закладывают на этой планете начало живого». Конструктивно – теоретические возможности панспермии подтверждаются рядом экспериментов: обнаружением следов органических соединений в метеоритном и кометном веществах, предшественников аминокислот в лунном грунте, следов микроорганизмов в метеорите предположительно марсианского происхождения. Очевидно, что эти открытия второй половины XX века будут расширены по мере освоения человеком космического пространства.
Однако в рамках естественнонаучного принципа глобальной эволюции теория стационарного состояния не продуктивна, а теория панспермии так же не предлагает ни какого механизма для объяснения первичного возникновения жизни; она просто переносит проблему возникновения жизни в какое-то другое место Вселенной.
Итак в рамках эволюционных «стрел времени» на основе принципа дополнительности остаются две взаимоисключающие, а возможно дополняющие друг друга, по крайней мере в эстетике мышления, теория креационизма и теория биохимической эволюции. На наш взгляд, в пересечении этих теорий представляется неоправданным как вера в религиозный фанатизм, так и в научный абсолютизм. Нам представляется, что чувство «религиозной веры в высшее, сверхсознательное и преклонения» перед гармонией природы на Земле и в Космосе и убеждения что в «концептуальном фонде (как и в генофонде) Земли» все элементы значимы и важны является основой не только духовной, но и материальной культуры человеческой цивилизации.
В пользу неслучайного характера процесса как зарождения, так и развития жизни говорит антропный принцип, сформулированный в 70-е годы XX века. Его сущность заключается в том, что даже незначительное отклонение значения любой из фундаментальных констант приводит к невозможности появления во Вселенной высокоупорядоченных структур. Например, увеличение постоянной Планка на 10% лишает протон возможности объединиться с нейтроном, то есть становиться невозможным нуклеосинтез. А уменьшение постоянной Планка на 10% привело бы к образованию устойчивого ядра 2 He, следствием чего явилось бы выгорание всего водорода на ранних стадиях расширения Вселенной, либо коллапс звезд на более поздних стадиях. Наука столкнулась с большой группой фактов, раздельное рассмотрение которых создает впечатление о необъяснимых совпадениях, граничащих с чудом. (более подробно: Barron J.D., Tipler F.J. The antropic cosmological principle, Oxford, 2-nd., ed., 1986). По мнению ученого-физика Дж. Уилера: «Фактор, дающий жизнь, лежит в центре всего механизма и конструирует мир».
В то же время конструктивно-теоретические модели биохимической эволюции опираются на гипотезу, что жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам. Тем самым мы ставим оправданно или нет законы физики и химии в центр «всего механизма, конструирующего мир».
Первые три этапа относят к периоду химической эволюции, с четвёртого начинается биологическая эволюция. Представление о химической эволюции подтверждены рядом экспериментов. Начало этой работы было положено в 1953 г. С. Миллером и Г. Юри, которые при воздействии искрового заряда на газовую смесь из метана, и паров воды получили набор малых органических молекул, впервые показав возможность абиогенного синтеза органических соединений в системах, имитирующих предположительный состав первичной земной атмосферы.
Сложные процессы
химической эволюции, которая переходит
в биохимическую и биологическую эволюцию,
могут быть выражены в виде простой
последовательности: атомы
простые молекулы
сложные макромолекулы и ультрамолекулярные
системы (пробионты)
одноклеточные организмы.
Первые клетки считаются прообразом всех живых организмов растений, животных, бактерий.
Однако в этом физико-химическом конструировании всего живого естественно присутствует антропный принцип, т.е. вера в неслучайный характер процесса как зарождения, так и развитие жизни на Земле. Кроме того не снимается и возможность пересечения теории биохимической эволюции земной материи с теорией панспермии. Сама теория биохимической эволюции приобрела научный характер теоретического конструирования моделей, подтверждённый экспериментально геохронологической историей Земли только в 20 веке после раскрытия молекулярно-генетического уровня биологического уровня материи и становления эволюционной химии.
Теория биохимической эволюции опирается на понятие абиогенеза – образования органических соединений, распространённых в живой природе вне организма, без участия ферментов.
Все многочисленные гипотезы, которые выдвигались в 60-80-е годы 20 века, имели чётко выраженные противостояние по вопросу о характеристиках протобиологической системы, т. е. доклеточного предка. Проблема состояла в том, что между химической формой материи, которая ещё не жизнь, и биологической формой материи, которая уже есть жизнь, существует предбиотическая структура, связанная с переходом от физико-химической эволюции к биологической. Необходимо было найти некую доклеточную структуру, способную эволюционировать, чтобы она была подвержена генетическим преобразованиям и естественному отбору. В итоге обозначились две гипотезы – коацервантная и генетическая.
Основу коацервантной гипотезы составляет утверждение, что начальные этапы биогенеза были связаны с формированием белковых структур из «первичного океана» благодаря коацервации – самопроизвольному разделению водного раствора полимеров на фазы с различной концентрацией. Основные положения этой гипотезы впервые были сформулированы А. И. Опариным в 1924 году (см.: Опарин А.И. Жизнь, её природа, происхождение и развитие. М., 1968). Отбор как основная причина совершенствования коацервантов до первичных живых существ – важнейшее положение гипотезы Опарина.
В рамках коацервантной гипотезы возник методологический принцип, получивший название голобиоза , т.е. первичности структур типа клеточной, наделенной способностью к элементарному обмену веществ, в том числе и к ферментному катализу.
Однако, если
опираться на равновесную термодинамику,
то молекулы живых существ не возникают
спонтанно, для их образования требуется
сложный механизм непрерывного и
согласованного действия «нагревателя»
и «холодильника» в соответствии со
вторым началом термодинамики. Вероятность
того, что белковая молекула, состоящая,
из аминокислот 20 видов, будет случайно
сформирована по определённому образцу
равна
Число стоящее в знаменателе, слишком велико, чтобы его можно было охватить разумом. «Вероятность - как утверждает астроном Фрёйд Хойл, вопиюще мала, до того мала, что это было бы немыслимо даже в случае, если вся Вселенная состояла из органического бульона». Однако, если перейти к неравновесной термодинамике, то энтропия излучения S изл. много больше энтропии вещества S вещ. (S изл >> S вещ.), то вероятность образования упорядоченных структур от кристаллов до белков и нуклеиновых кислот резко возрастает.
Однако, для этого вряд достаточно только естественного отбора, который направлен на очищение генофонда популяции от «бракованных» генов, видоизменение происходит только в рамках существующего генетического материала, как адаптивная реакция на изменение окружающей среды.
Выдвигается на первый план генетическая гипотеза, согласно которой вначале возникли нуклеиновые кислоты как матричная основа синтеза белков. Впервые эту гипотезу выдвинул в 1929 году американский генетик Г. Меллер.
В рамках генетической гипотезы возник методологический принцип, получивший название генобиоза , утверждающий первичность возникновения в результате биохимической эволюции молекулярной системы со свойствами генетического кода.
К естественному отбору добавилась идея дискретного расщепления генетических признаков, в определённой степени опирающаяся на основное положение квантовой механики: «Всё: материя, энергия, квантовые характеристики частиц – выступают дискретными величинами, и нельзя измерить ни одну из них, не изменив её». Генетическая гипотеза связывает теорию биохимической эволюции с глобальным эволюционизмом, а теория происхождения жизни на Земле связывается с верой в существование «сверхрационального, сверхразумного» телеологизма – как присущего всей Вселенной стремления к совершенствованию вплоть до создания «разумного наблюдателя».
В настоящее время генетическая концепция получила широкое признание в результате открытий, сделанных в 80-е годы. Экспериментально было доказано, что несложные нуклеиновые кислоты могут редуплицироваться и без ферментов. Способность нуклеиновых кислот служить матрицами при образовании комплементарных цепей – наиболее убедительный аргумент в пользу представлений о ведущем значении в процессе биогенеза наследственного механизма и, следовательно, в пользу генетической гипотезы происхождения жизни.
К началу 80-х годов XX стало ясно, что первичной из нуклеиновых кислот могла быть только рибонуклеиновая кислота (РНК).
Иными словами, именно молекула РНК могла составить макромолекулярный субстрат доклеточного предка. Решающее открытие относительно роли молекулы РНК в происхождении жизни сводится к следующему. Во первых, это установление способности РНК к саморепродукции в отсутствие белковых ферментов. Во вторых, установление того факта что одна из небольших молекул РНК (рибозин) сама обладает функциями фермента. Наконец, в третьих, было установлено, что РНК обладает автокаталитическими свойствами.
Таким образом, можно считать, что древняя РНК совмещала в себе обе функции: каталитическую и информационно-генетическую, что и обеспечивало возможность саморепродукции макромолекулярного объекта. Иначе говоря, она отвечала всем требованиям механизма эволюции в соединении теории естественного отбора с наследственным (генетическим) дискретным расщеплением признаков (аллельных генов), так и с теорией сцепления неаллельных генов. Это способствовало последующей эволюции макромолекулярной системы на основе РНК в более эффективную с точки зрения синтеза белков макромолекулярную систему на основе ДНК. В процессе такой эволюции в большинстве случаев произошло разделение информационно – генетических и каталитических функций. Особо следует подчеркнуть существенную роль дисимметрии «право-лево» как нуклеиновых, так и белковых молекул, происхождение которой имеет много гипотез и пока не имеет экспериментального обоснования. Не исключено, что возникновение такой дисимметрии имело столь же глубокие последствия для происхождения жизни, как и возникновение барион-антибарионной дисимметрии для эволюции Вселенной.
Проблема состоит и в том, является ли время и место действия - Земля около 4,5 млрд. лет назад - уникальной ареной для биохимической эволюции. Или этот процесс происходил и происходит стихийно и в тоже время на основе “сверхрационального, сверхразумного” телеологизма в различных частях космического пространства, а Земля лишь предоставила благоприятные условия для развития уже возникшей жизни.
Переходя на онтогенетический (организменный) уровень живой природы, структурным признаком живого организма, начиная с 1940-х годов, считается клетка – завод жизни. Иными словами, наинизшим объектом живой природы признаётся клетка либо как самостоятельный одноклеточный организм, либо как автономная часть многоклеточного организма. Доклеточные формы жизни – вирусы – занимают промежуточное место между живым и неживым.
Только в начале 60-х годов XX века появилась генетическая концепция клеточной организации живой материи позволившая дискретно разделить всё живое на два надцарства – прокариоты и эукариоты . Наиболее принципиальные различия двух типов организмов касается характера организации и репликации на генетическом уровне; структуры аппарата, синтезирующего белки; характера «пусковых» механизмов биосинтеза белка; структуры молекулы РНК; организации и характера фотосинтезирующего аппарата и т.п. При этом ни прокариоты, ни эукариоты не имеют определённых эволюционных преимуществ. Это позволяет предложить, что оба эти типа организмов происходят от общего предка, или археклетки, совмещающей в себе черты прокариотов и эукариотов.
В 1970-е годы эта точка зрения получила серьёзное подтверждение благодаря открытию архебактерий , которые будучи прокариотами по типу организации генетического аппарата, имеют признаки, сближающие их с эукариотами. Наиболее популярна в настоящее время симбиотическая гипотеза, согласно которой эукариотная клетка – результат симбиоза нескольких прокариотных клеток.
Важной концепцией функционирования живой природы на онтогенетическом уровне является её функциональная системность. Согласно этой концепции, функциональная системность обусловлена тем, что компоненты систем не только взаимодействуют, но и взаимосодействуют.
Концепция функциональной системности универсальна на всех структурных уровнях живой природы. Она основана на взаимосодействии мутационного (генетически наследственного расщепления альтернативных признаков (аллельных генов) и сцепления неаллельных генов в генетике пола) отбора с естественным отбором, когда процессы на низших уровнях как бы организуются функциональными связями на высших уровнях, а часть специализированными аппаратами регуляции (гомеостаза), как, например, гормональными и первыми системами в организме животных.
Концепция функциональной системности могла появиться на молекулярно-генетическом уровне и в виде симбиоза методологических принципов голобиоза и генобиоза.
Такой подход в определённой степени снимает проблему первичности белка или ДНК / РНК в возникновении пробионтов. Считается, что жизнь эволюционировала на базе динамичной игры малых молекул (органических и неорганических) и первые биополимеры могли быть результатом автокаталитических реакций малых молекул в дождевых каплях, озарённых ультрафиолетом первобытного Солнца. Однако, возникает проблема дозревания этих капель в коацервантные капли в соответствие с опаринским сценарием «первичного бульона» или в первичные двухцепочные РНК в соответствие с генетической гипотезой и последующем их симбиозе в археклетку.
На наш взгляд, если исходить из выдвинутой Н.В. Тимофеевым-Ресовским аксиомы, что эволюция живой природы принципиально непредсказуема, то эта аксиома указывает на достаточно трудный путь исследования происхождения жизни на Земле и антропологического исследования родословной человека, что, на наш взгляд, приводит к пересечению, по крайней мере, трёх теорий (концепций), а именно естественнонаучной концепции биохимической эволюции с концепциями панспермии и креационизма с опорой на антропный принцип и принцип глобального эволюционизма.
