ПРОИСХОЖДЕНИЕ и эволюция жизни. ЗЕМЛЯ КАК ПРЕДМЕТ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

КОНЦЕПЦИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ жизни

Проблема происхождения жизни на Земле интересует человечество с давних времен. Сейчас общепризнано, что возникновение жизни на Земле — это закономерный процесс, поддающийся научному исследованию. Основу этого процесса составляла эволюция соединений углерода, которая происходила во Вселенной задолго до возникновения нашей Солнечной системы и продолжалась во время образования планеты Земля — при формировании ее коры, гидросферы и атмосферы. С момента возникновения жизни природа находится в непрерывном развитии. Процесс эволюции длится сотни миллионов лет, и его результатом является то разнообразие форм живого, которое во многом до конца еще не описано и не классифицировано.

Жизнь — самое сложное явление природы. Для нее характерны обмен веществ и самовоспроизведение, а особенности более высоких уровней ее организации обусловлены строением более низких уровней. Живые существа — это естественные информационные системы, т.е. системы, существующие сами по себе, а не в результате построения или составленной кем-то программы.

Отличие живого от неживого заключается в нескольких фундаментальных направлениях:

  • • в вещественном плане — в состав живого обязательно входят высокоупорядоченные макромолекулярные органические соединения, называемые биополимерами, — белки, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК);
  • • в структурном плане — живое отличается от неживого клеточным строением;
  • • в функциональном плане — всякий живой организм стремится к одному из главных свойств — воспроизведению себе подобных.

В ходе индивидуального изменения (онтогенеза) организмы вырабатывают способность к относительной независимости от среды (автономность), приспосабливаются к внешним условиям, а смена поколений приобретает эволюционно-исторический характер (филогенез). Одно из главных свойств всякого живого — обмен веществ. Существенными признаками живого являются раздражимость, рост, размножение, изменчивость, наследственность.

Переходные формы от нежизни к жизни, например вирусы, вне клеток другого организма не обладают ни одним из признаков живого, хотя у них есть наследственный аппарат. Они могут расти и размножаться лишь в клетке организма-хозяина, используя его ферментные системы.

Единой точки зрения на вопрос о происхождении жизни на Земле в науке не существует, хотя с древнейших времен и до нашего времени было высказано множество гипотез, пытающихся создать связную картину процессов, лежащих в основе возникновения жизни организмов. Значительная часть оснований всех концепций происхождения жизни умозрительна, поскольку невозможно воспроизвести сколько- нибудь наглядно события, непосредственно связанные с возникновением жизни на Земле.

В современном естествознании существуют пять основных концепций возникновения жизни, рассмотренные ниже.

1. Креационизм является религиозной концепцией и не имеет прямого отношения к науке. К креационизму близка концепция, согласно которой жизнь создана высшим разумом, находящимся вне Вселенной. Эти концепции основываются на отрицании возможности объяснить генезис жизни естественными причинами и направлены против концепции химической, предбиологической эволюции. В качестве основополагающего тезиса в данных концепциях выступает положение о том, что жизнь как на Земле, так и вообще где-либо во Вселенной не может возникнуть случайно и представляет собой акт преднамеренного творения; это приводит к отождествлению современных космологических представлений с религиозными истинами. Временная и иерархическая последовательность событий в креационизме содержит исходное представление об эволюции: первый день — появление света, второй день — звезд, третий — создание Земли, четвертый — Солнца и Луны, пятый — создание рыб в море и птиц в небе, шестой — создание человека и, наконец, седьмой — день отдыха. В пользу данной концепции ее сторонники приводят следующие аргументы: белки, нуклеиновые кислоты и другие биологические соединения с их чрезвычайно сложной структурой могут быть созданы только живым существом, поскольку системы такой сложности не могут возникнуть в результате взаимодействия простых веществ в первичном океане; в естественно-научном объяснении происхождения жизни необходимо исходить из положения, что жизнь уже была закодирована в структуре атомов.

Подчеркнем, что в настоящее время жизнь на Земле не может возникнуть абиогенным путем. Возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена.

2. Концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества. Теория самопроизвольного (спонтанного) зарождения жизни была распространена в Египте, Китае, Вавилоне еще до христианства. Этой теории придерживался, например, Аристотель, который, развивая ее, построил все известные тогда живые организмы в «лестницу природы» — в непрерывный ряд. С распространением христианства идеи самозарождения были объявлены еретическими, и долгое время о них не вспоминали.

Исходная гипотеза теории происхождения жизни — абиогенез — идея о происхождении живого из неживого. В середине XIX в. в гипотезе о происхождении жизни существенное место занимает теория биогенеза, утверждающая, что все живое происходит только от живого. Ее противопоставляли ненаучным представлениям о самозарождении организмов (червей, мух и даже мышей) в болотах, в гниющей массе и подобных местах. Однако как теория происхождения жизни биогенез несостоятелен, поскольку принципиально противопоставляет живое неживому, утверждает отвергнутую наукой идею вечности жизни.

Эту концепцию опроверг изучавший деятельность бактерий французский микробиолог XIX в. Луи Пастер. В 1860 г. в серии опытов с изогнутыми колбами он показал, что «зарождение» микроорганизмов в стерильном бульоне происходит только в том случае, если их зародыши могут попасть в бульон из воздуха или иным путем. Если преградить путь «зародышам» (оставив при этом доступ воздуху), «самозарождения» не происходит. За это открытие он получил премию в 1862 г. от Французской академии наук.

  • 3. Концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда. Согласно этой теории, Земля никогда не возникала — существовала вечно, также всегда существовала и жизнь на Земле в вечно существовавшей и вечно существующей статичной Вселенной. Сторонники этой концепции придерживаются мнения о том, что нет ни начала, ни конца мироздания. Виды живых организмов, по мнению сторонников этой теории, существовали всегда, и если и изменялись, то незначительно. Причем видам отводились только две возможности изменения — уменьшение (или увеличение) численности особей или их полное исчезновение (вымирание). Из-за своей оригинальности эта теория всегда имела немного сторонников.
  • 4. Концепция панспермиивнеземного происхождения жизни. Гипотеза, впервые разработанная греческим философом Анаксагором, согласно которой земная жизнь возникла из спермиев (зачатков жизни), занесенных с других планет. Во второй половине XIX в. шведский ученый Сванте Аррениус выдвинул оригинальную гипотезу. По его мнению, жизнь возникла не на Земле, а была занесена из космоса. Наша планета была «заражена» микроорганизмами, прибывшими из глубин Вселенной. Этот процесс Аррениус назвал панспермией. Гипотеза шведского ученого не получила поддержки научного сообщества. Никто не верил в возможность для микроорганизмов длительно путешествовать в космическом пространстве, не погибая от губительных излучений. В XX в. этой концепции придерживался английский физик и генетик X. Крик, предложивший теорию направленной (сознательной) панспермии (1972), по которой жизнь на Земле возникла в результате внесения зачатков жизни разумными существами, обитающими во внеземных мирах Вселенной. В рамках теории панспермии предлагается не механизм первичного возникновения живого организма, а идея о неземном происхождении жизни. Поэтому данная теория не может считаться в полной мере теорией возникновения жизни: здесь проблема возникновения жизни всего лишь переносится с Земли в другое место Вселенной, но сама проблема по-прежнему остается нерешенной.
  • 5. Концепция появления жизни на Земле в результате процессов, подчиняющихся естественно-научным законам, в прошлом имела два варианта. Согласно первому, происхождение жизни — результат случайного образования единичной «живой молекулы», в строении которой был заложен план дальнейшего развития живого. Во втором варианте происхождение жизни — результат закономерной эволюции материи. Рассмотрим детально второй вариант, который представляется наиболее научным.

Большинство современных ученых согласны со следующими утверждениями: все необходимые для возникновения жизни биологически значимые органические соединения могут образоваться в абиогенных условиях, т.е. без участия живого, лишь на основе физико-химических закономерностей превращения веществ; возникновение жизни в условиях ранней Земли есть результат естественной эволюции материи.

Для изучения проблемы происхождения жизни необходимо прежде всего понять, какие физико-химические условия были на ранней Земле. Такие данные связаны с геологической эволюцией планеты, эволюцией химических элементов Солнечной системы и солнечной активностью. В вещественном плане для становления жизни нужен прежде всего углерод, обладающий уникальными свойствами, вследствие чего наша жизнь называется углеродной, или органической. Углерод образует сложные молекулы в виде колец и цепей, обеспечивающие разнообразие органических соединений. В состав живой клетки входят:

  • • аминокислоты — важный для жизни класс органических соединений; в живых организмах они используются для синтеза белков, растения могут синтезировать их из простых веществ, а в животные организмы часть их поступает с пищей, поэтому их называют незаменимыми;
  • • нуклеиновые кислоты;
  • • кислород, водород и азот: клетка состоит на 70% из кислорода, 17% углерода, 10% водорода, 3% азота. Это наиболее устойчивые и распространенные на Земле химические элементы, они легко соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малым атомным весом, их соединения растворяются в воде. Органические вещества присутствовали на Земле при ее образовании. Они могли синтезироваться и на поверхности пылинок.

Современная теория происхождения жизни основана на идее о том, что биологические молекулы могли возникнуть в далеком геологическом прошлом неорганическим путем. Для возникновения жизни нужны определенные температура, влажность, давление, уровень радиации, направленность развития Вселенной и время. Земля подходила для зарождения жизни. Ее возраст 4,6 млрд лет. Температура поверхности в начальный период составляла 4000—8000 °С, и по мере остывания Земли углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались, образуя земную кору. Первичная атмосфера Земли на протяжении 2 млрд лет состояла, вероятно, главным образом из водяных паров, N2, С02 с небольшой примесью других газов (NH3, СН4, H2S) при почти полном отсутствии 02 (практически весь кислород, содержащийся в атмосфере в настоящее время, является продуктом фотосинтеза). Отсутствие кислорода в первоначальной атмосфере было необходимым условием возникновения жизни, так как органические вещества легче создаются в восстановительной среде, а кислород мог бы их разрушить; а биогенно образовавшиеся органические вещества накапливались в Мировом океане, возникшем при охлаждении поверхности Земли вследствие конденсации водяных паров и выпадения осадков.

Коацерватная гипотеза. В 1924 г. русский ученый-биохимик А.И. Опарин сформулировал основные положения концепции пред- биологической эволюции и затем развил эти положения в коацер- ватной гипотезе происхождения жизни. Основу гипотезы составляет утверждение, что начальные этапы биогенеза были связаны с формированием белковых структур. Первые белковые структуры (про- тобионты, по терминологии Опарина), возникшие в период, когда молекулы белков отграничивались от окружающей среды мембраной, могли появиться из первичного «бульона» благодаря коацервации — самопроизвольному разделению водного раствора полимеров на фазы с различной их концентрацией. Процесс коацервации приводил к образованию микроскопических капелек с высокой концентрацией полимеров. Часть этих капелек поглощали из среды низкомолекулярные соединения — аминокислоты, глюкозу, примитивные катализаторы. Взаимодействие молекулярного субстрата и катализаторов уже означало возникновение простейшего метаболизма внутри протобионтов.

Теория возникновения жизни, предложенная Опариным, надолго стала одной из самых влиятельных в научном мире. Данная теория описывает жизнь с позиций материалистической методологии и постулирует самозарождение жизни под воздействием физико-химических процессов, протекающих в условиях первобытной Земли. Можно сказать, что теория Опарина является теорией химической эволюции. Свои идеи ученый впервые изложил в книге «Происхождение жизни», опубликованной в Советском Союзе в 1924 г. и переведенной на английский язык в 1938 г. Теорию Опарина поддержал английский биолог и генетик Дж.Б.С. Холдейн, который с 1929 г. развивал идеи, созвучные представлениям Опарина. Холдейн выдвинул гипотезу, согласно которой на первобытной Земле скопились огромные количества органических соединений, образовав «первичный бульон», или «протобульон». Жизнь возникла на Земле именно из неживой материи в условиях, имевших место на планете миллиарды лет назад, а именно: наличие источников энергии, определенный температурный режим, присутствие воды и других неорганических веществ — предшественников органических соединений, отсутствие кислорода.

Широко распространенной и экспериментально обоснованной является модель, получившая за рубежом название гипотезы Опарина-Холдейна.

Опарин полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежала белкам. Благодаря амфотерности белки способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов — притягивают молекулы воды, создающие вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от водной фазы, в которой они суспендированы, и образовывать своего рода эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом приводит к отделению коллоидов от среды — процессу, называемому коацервацией. Богатые коллоидами коацерваты, возможно, были способны обмениваться с окружающей средой веществами и избирательно накапливать различные соединения, особенно кристаллоиды. Коллоидный состав данного коацервата, очевидно, зависел от состава среды. Разнообразие состава «бульона» в разных местах вело к различиям в составе коацерватов и поставляло таким образом сырье для биохимического естественного отбора. В самих коацерватах входящие в их состав вещества вступали в дальнейшие химические реакции; при этом коацерваты поглощали ионы металлов и происходило образование ферментов. На границе между коацерватами и средой выстраивались молекулы липидов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивавшей стабильность коацерватов. В результате включения в коацерват предсуществующей молекулы, способной к самовоспроизведению и внутренней перестройке покрытого липидной оболочкой коацервата, могла возникнуть первичная клетка. Увеличение размеров коацерватов и их фрагментация, возможно, вели к образованию идентичных коацерватов, которые могли поглощать больше компонентов среды, так что этот процесс мог продолжаться. Такая предположительная последовательность событий должна была привести к появлению примитивного самовоспроизво- дящегося гетеротрофного организма, питавшегося органическими веществами первичного бульона.

Сильной стороной концепции является ее довольно точное соответствие химической эволюции, согласно которой зарождение жизни есть закономерный результат добиологической эволюции материи. Убедительным аргументом в пользу этой концепции выступает также возможность экспериментальной проверки ее основных положений путем лабораторного воспроизведения предполагаемых физико-химических условий первичной Земли и коацерватов, имитирующих до- клеточного предка и его функциональное особенности.

Слабая сторона концепции — невозможность объяснить сам момент скачка от сложных органических соединений к живым организмам — ни в одном из проведенных экспериментов не удалось получить жизнь. Кроме того, Опарин допускает возможность самовоспроизведения коацерватов при отсутствии молекулярных систем с функциями генетического кода. Иными словами, без реконструкции эволюции механизма наследственности невозможно объяснить процесс скачка от неживого к живому. У многих ученых гипотеза вызывает сомнения из-за многочисленных допущений и предположений. Самое трудное в этой теории — объяснить, как появилась способность живых систем к самовоспроизведению. Британский астроном Фред Хойл (1915— 2001) остроумно заметил, что мысль о возникновении жизни в результате описанных выше случайных взаимодействий молекул «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке Боинга-747».

Эксперимент, проведенный в 1953 г. Стенли Миллером, получил широкую известность, подтвердив успех теории Опарина—Холдейна. Будучи аспирантом Чикагского университета, Миллер построил модель пробиотической атмосферы Земли, опираясь на гипотезу своего учителя, американского физика и физикохимика Г.К. Юри, согласно которой Земля в ранний период своего развития была похожа на современный Юпитер.

Аппарат состоял из двух стеклянных колб, соединенных в замкнутую цепь. В одну из колб помещалось устройство, имитирующее грозовые эффекты (бурная вулканическая деятельность молодой планеты должна была сопровождаться интенсивными и частыми грозами) и представлявшее собой два электрода, между которыми происходит разряд при напряжении около 60 000 В. В другой колбе постоянно кипела вода. Затем аппарат заполнялся атмосферой, предположительно существовавшей на древней Земле, — метаном, водородом и аммиаком. Кроме того, газовая смесь подвергалась облучению ультрафиолетовыми лучами (предположительно первобытная атмосфера была лишена озонового слоя или он был очень тонок). Аппарат проработал неделю, после чего в продуктах реакции было обнаружено некоторое количество органическихвеществ, в том числе простейшие аминокислоты — глицин (входит в состав многих белков и биологически активных соединений. Из глицина в живых клетках синтезируются азотосодержащие пигменты, входящие в состав небелковой части молекулы гемоглобина, хлорофилла, ряда ферментов) и аланин (бесцветная растворимая аминокислота, широко распространенная в составе белков). Эти результаты считаются классическим подтверждением теории происхождения жизни Опарина—Холдейна. Опыты неоднократно воспроизводились, но в ходе экспериментов ни разу не были получены нуклеиновые кислоты, протеин, липид и полисахарид — более 90% веществ, составляющих живую клетку. Впоследствии Миллер критически высказывался о своих ранних опытах, считая, что использованная газовая смесь не соответствовала составу пробиотической атмосферы.

В 1953 г. американский генетик Герман Меллер экспериментально установил, что при подводе энергии (например, в форме электрических зарядов, ультрафиолетового излучения, радиоактивного излучения и теплоты) к газовой смеси, содержащей углерод, водород, кислород и азот, в восстановительной среде образуются все важные детали для построения биовеществ — аминокислот, гидроксидов, сахаров, пуриновых и пиримидиновых оснований. С инициацией химических процессов на планете Земля началась фаза химической эволюции около 4—4,5 млрд лет назад. Основным результатом первой стадии химической эволюции стала интеграция простых атомов Н, С, N, Р... в относительно сложные органические молекулы. Результатом химической эволюции стала интеграция атомов химических элементов в сложные органические молекулы, а молекул — в еще более сложные цепные молекулы. Далее происходило образование более крупных полимеров из малых органических мономеров без участия живых организмов. Видимо, на первичной Земле образование полимеров со случайной последовательностью аминокислот или нуклеотидов могло происходить при испарении воды в водоемах, оставшихся после отлива. Если полимер образовался, он способен влиять на образование других полимеров.

Сложную химическую эволюцию обычно выражают обобщенной схемой: атомы -* простые соединения -* простые органические соединения -*• макромолекулы -»организованные системы. Следующим этапом после химической эволюции элементов является биохимическая эволюция (биогенез).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >