|
Что такое «жизнь»? Вопросы о происхождении и сущности жизни стали предметом интереса человека в его стремлении разобраться в окружающем мире, понять самого себя и определить свое место в мире.
Это очень значимые вопросы, так как они, вместе с вопросами о происхождении Вселенной и человека, составляют фундамент нашего мировоззрения.
Необходимо отметить, что на самом деле это не два вопроса, а фактически один, сформулированный в двух аспектах. И действительно, невозможно узнать, как появилась жизнь на Земле, если не знать, что это такое. С другой стороны, нельзя ответить на вопрос, что такое жизнь, не рассматривая вопрос о ее происхождении.
В вопросе появления жизни на нашей планете еще много остается неясного и неопределенного. Эта проблема далека от окончательного решения. Тем не менее, современная наука дает возможность выдвинуть некоторые гипотезы, отвечающие на вопросы о том, как, когда и в какой форме появилась жизнь на Земле.
1. Жизнь и ее появление на Земли
1.1 Сущность и определение жизни
Долгое время в науке существовало два основных подхода к решению вопроса о жизни – механицизм и витализм. Они приняли законченную форму в XIX веке в результате ожесточенных дискуссий между их представителями.
Механистический материализм, характерный для классической науки Нового времени, не признавал качественной специфики живых организмов и представлял жизненные процессы как результат действия химических и физических процессов. Поэтому механицизм отождествлял живые организмы со сложными машинами. Но такой подход неверен в самой своей основе, ведь аналогия между живым существом и машиной не объясняет причину целесообразности живого организма. Механицизм и его более поздняя разновидность – редукционизм, всякий раз беспомощно останавливались перед проблемой сущности жизни.
Противоположной точкой зрения стал витализм, который объяснял качественное отличие живого от неживого наличием в живых организмах особой «жизненной силы», отсутствующей в неживых предметах и не подчиняющейся физическим законам. Такое решение проблемы сущности жизни тесно связано с признанием факта творения ее Богом, разумным материальным началом и т.д.
К концу XX в. биологи стали намного больше знать о том, что такое жизнь, как она устроена, каковы ее существенные признаки. Тем не менее, современные предположения о сущности жизни во многом остаются гипотетичными. С этим связано отсутствие общепринятого определения жизни.
На обыденном уровне мы все интуитивно понимаем, что представляет собой живое, а что – неживое. Однако при попытке четко сформулировать определение жизни возникают большие трудности, так как сущность жизни понимается и определяется неоднозначно.
Большинство ученых убеждено, что жизнь представляет собой особую форму существования материального мира. До конца 1950-х годов в научной и философской литературе общепринятым было знаменитое определение Ф. Энгельса,
в котором говорилось, что жизнь есть способ существования белковых тел, состоящий и постоянном самообновлении химических составных частей этого тела. Но постепенно стало очевидным, что субстратная основа жизни не сводиться только к белкам, а функциональная – к присущему белковым телам обмену веществ.
Также ученым удалось точно установить, что качественное отличие живого от неживого заключено в структуре их соединений, строении и связях, особенностях функций, характеристике и организации протекающих внутри организма процессов. Кроме того, жизнь отличается динамичностью и лабильностью. Но при этом можно говорить о полном тождестве химических элементов, входящих в состав живого и неживого.
На основании новых данных во второй половине XX в. появились новые определения жизни. Среди них – определение жизни как апериодического кристалла, данное Э. Шредингером.Интересно определение жизни как космической организованности материи Г. Югая.
Существуют также определения, подчеркивающие энергетический аспект жизни – ее противостояние энтропийным процессам. А в определении канадского биолога Г. Селье жизнь понимается как процесс непрерывной адаптации организмов к постоянно изменяющимся условиям внешней и внутренней среды. При этом организм оказывается способным поддерживать стабильность всех своих структур и функций, не смотря на воздействие различных внешних факторов.
Современная биология в вопросе о сущности жизни все чаще идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. Акцент делается на то, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни. Таково определение жизни Б.М. Медникова. Он называет жизнью активное, идущее с затратой энергии поддержание и воспроизведение специфических структур, обладающих следующими свойствами: наличие генотипа и фенотипа; репликация генетических программ матричным способом; неизбежность ошибок на микроуровне при репликации, приводящих к мутациям; многократное усиление этих изменений в ходе формирования фенотипа и их селекция со стороны факторов внешней среды.
В этом определении акцент сделан на то, что жизнь связана с воспроизведением характерной для каждого вида упорядоченности. При этом организм воспроизводит себя и поддерживает свою целостность за счет использования элементов окружающей среды с более низкой упорядоченностью.
Для того чтобы понять сущность жизни, необходимо, прежде всего, установить, что такое живое и чем оно отличается от неживого. К числу свойств живого обычно относят следующие признаки:
• живые организмы характеризуются сложной упорядоченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах;
• живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно используют солнечную энергию;
• живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Способность реагировать на внешнее раздражение – универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных;
• живые организмы не только изменяются, но и усложняются;
• все живое размножается. Способность к самовоспроизведению – один из самых главных признаков жизни, так как в этом проявляется действие механизма наследственности и изменчивости, определяющих эволюцию всех видов живой природы;
• живые организмы передают потомкам заложенную в их генах информацию, необходимую для жизни, развития и размножения. Ген – единица наследственности, являющаяся мельчайшей внутриклеточной структурой. Генетический материал определяет направление развитие организма. Вот почему потомки похожи на родителей. Однако эта информация и процессе передачи несколько меняется, искажается, что делает потомков отличными от своих родителей;
• живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания и соответствуют своему образу жизни. В обобщенном и упрощенном варианте все отмеченное можно выразить в выводе, что все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе. Естественно, что все эти признаки должны быть отражены в определении жизни. Таким образом, можно предложить следующее определение: жизнь – высшая из природных форм движения материи, она характеризуется самообновлением, саморегуляцией и самовоспроизведением разноуровневых открытых систем, вещественную основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения.
История жизни и история Земли неотделимы друг от друга, так как именно в процессах развития нашей планеты закладывались физические и химические условия, необходимые для появления и развития жизни.
Жизнь может существовать в достаточно узком диапазоне температур, давлений, радиации. Для ее появления нужны были материальные основы – химические элементы-органогены и в первую очередь углерод, так как именно он лежит в основе жизни. Этот элемент обладает рядом свойств, делающих его незаменимым для образования живых систем. Прежде всего, углерод способен создавать разнообразные органические соединения, число которых достигает нескольких десятков миллионов. Среди них – насыщенные водой, подвижные, низкоэлектропроводные, скрученные в цепи структуры. Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором, серой и железом обладают хорошими каталитическими, строительными, энергетическими, информационными и иными свойствами.
Наряду с углеродом к «кирпичикам» живого относятся кислород, водород и азот. Ведь живая клетка состоит на 70% из кислорода, углерода в ней 17%, водорода – 10, азота – 3%. Перечисленные элементы-органогены принадлежат к наиболее устойчивым и распространенным во Вселенной химическим элементам. Они легко соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малым атомным весом. Их соединения легко растворяются в воде. Эти элементы, очевидно, поступили из космической пыли, которая стала материалом для сложения планет в Солнечной системе. Еще на стадии формирования планет возникли углеводороды, соединения азота, и в первичных атмосферах планет было много метана, аммиака, водяного пара и водорода. Они-то и стали сырьем для получения сложных органических веществ, входящих в состав живых белков и нуклеиновых кислот (аминокислот и нуклеотидов).
Огромную роль в появлении и функционировании живых организмов играет вода, ведь они на 90% состоят из нее. Поэтому вода выступает не только средой, но и обязательным участником всех биохимических процессов. Вода обеспечивает метаболизм клетки, терморегуляцию организмов. Кроме того, водная среда как уникальная по своим упругим свойствам структура позволяет всем определяющим жизнь молекулам реализовать свою пространственную организацию. Поэтому жизнь зародилась в воде, но даже выйди из моря на сушу, она сохранила внутри живой клетки океаническую среду.
Наша планета богата водой и расположена на таком расстоянии от Солнца, что необходимая для жизни основная масса воды находится в жидком, а не в твердом или газообразном состоянии, как на других планетах. На Земле поддерживается оптимальная температура для существования жизни, основанной на углероде.
Поскольку жизнь неразрывно связана со своего обитания, начало жизни следует изучать в тесной связи с теми космическими и геологическими процессами, в ходе которых образовалась и развивалась наша планета.
Завершение этапа космической эволюции Земли, в ходе которой она сложилась из планетезималий, произошло около 4,5 млрд. лет назад. После этого наша планета стала постепенно остывать, формируя кору, а также атмосферу и гидросферу за счет дегазации лав, выплавлявшихся из верхней мантии при интенсивном вулканизме. Есть достаточно доказательств, что при этом на поверхность Земли поступали пары воды и газообразные соединения углерода, серы и азота.
Первичная атмосфера Земли была очень тонкой, разреженной, атмосферное давление у поверхности не превышало 10 мм ртутного столба. По составу она была схожа с теми газами, которые «сбрасывались при извержении вулканов. Это подтверждает анализ пузырьков газа, обнаруженных в протоархейских породах (60% – углекислота, 40% – соединения серы, аммиака, метана, другие окислы углерода, а также пары воды). Первичная атмосфера не содержала свободного кислорода, поскольку его не содержали вулканические газы.
Воды первичного океана имели примерно такой же состав, как и сегодня, но в них так же, как и в атмосфере, отсутствовал свободный кислород. Таким образом, свободный кислород, а значит, и химический состав современной атмосферы, как и свободный кислород океанов Земли, не были первоначально заданы при рождении нашей планеты как небесного тела, а являются результатом жизнедеятельности первых живых организмов, составивших первичную биосферу Земли.
Под действием солнечных и космических лучей, проникавших через разреженную атмосферу, происходила ионизация, превращавшая атмосферу в холодную плазму. Поэтому атмосфера ранней Земли была насыщена электричеством, в ней вспыхивали частые разряды. В таких условиях шло быстрое и одновременное синтезирование разнообразных органических соединений, среди которых были и весьма сложные. Эти соединения, как и те, что попали на Землю в уже готовом виде из космоса, представляли собой подходящее сырье, из которого на следующей стадии эволюции могли образовываться аминокислоты и нуклеотиды.
Радиоактивный разогрев недр Земли пробудил тектоническую активность, заработали вулканы, выделявшие огромное количество вулканических газов. Это уплотнило атмосферу, отодвинув границу ионизации в верхние слои. При этом процесс образования органических соединений продолжался.
Частые грозы с длительными ливнями приносили эти элементы в водоемы, покрывавшие нашу планету, добавляя их к тем, что уже были растворены в них. Таким образом, были накоплены большие запасы органического сырья. По некоторым подсчетам, его масса оценивается в 1016
кг, что всего на 2-3 порядка меньше массы современной биосферы. Согласно расчетам, концентрация этого вещества в водах океана составляла 1%.
После того, как углеродистые соединения образовали «первичный бульон», могли уже организовываться биополимерьг – «аминокислоты и нуклеотиды, «кирпичики» белков и нуклеиновых кислот. Необходимая концентрация веществ для образования биополимеров могла возникнуть в результате осаждения органических соединений на минеральных частицах, например на глине или гидроокиси железа, образующих ил водоемов. Кроме того, органические вещества могли образовывать на поверхности океана тонкую пленку, которую ветер и волны гнали к берегу, где она собиралась в толстые слои. В химии известен также процесс объединения родственных молекул в разбавленных растворах.
Дальнейший этап биогенеза связан с концентрацией органических веществ и появлением протобионта – молекулы РНК в результате скачка, приведшего к образованию живого из неживого. Протобионты представляли собой системы органических веществ, покрытых оболочкой, способных взаимодействовать с окружающей средой, то есть расти и развиваться за счет поглощения из окружающей среды богатых энергией веществ, а также умеющих размножаться, передавая полезные признаки своим потомкам.
К сожалению, механизм перехода от сложных органических веществ к простым живым организмам наукой пока не установлен. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему. В соответствии с ней между первичными сгустками органических веществ (коацерватов) могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей стабильность данным сгусткам. Именно с появлением мембраны можно говорить о рождении клетки.
Все трудности, которые возникают у ученых при решении проблемы происхождения жизни, мы описали выше. Тем не менее, жизнь возникла и после этого стала развиваться быстрыми темпами, претерпевая изменения, а также меняя окружающую ее среду, весь облик нашей планеты.
Концепция креационизма имеет саму длинную историю, так как практически во всех древних политеистических религиях выделялся бог, ответственный за начало жизни. В мировых религиях эта функция приписывается единственному Богу – творцу мира. Так, в иудео-христианской традиции Бог сотворил мир, в тои числе растения, животных и человека, всего за шесть дней из ничего по своему желанию. Так, в 1650 г. архиепископ Ашер из Ирландии вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н.э. Последний акт творения – создание человека было закончено 23 октября в 9 часов утра. Ашер получил эти результаты, сложив возраст всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии, от АдамадоХриста. Правда, и это время на Ближнем Востоке уже существовали цивилизации Древнего Египта и Шумера, но с арифметической точки зрения все было правильно.
Интересно был решен вопрос о продолжительности акта творения мира. В Библии сказано, что Бог сотворил мир за шесть дней. Некоторые христианские теологи верят, что это были обычные дни по 24 часа. Другие богословы относились к библейским текстам как к аллегориям и считали, что каждый день творения занимал тысячу лет. Но в любом случае все рассуждения базируются лишь на вере в библейские откровения, сомневаться в которых нельзя, а научные истины в соответствии с принципом фальсификации всегда подвергаются сомнению.
Поэтому концепция креационизма,
по существу, научной не является, поскольку возникла в рамках религиозного мировоззрения. Она утверждает, что жизнь такова, какова она есть, потому что такой ее сотворил Бог. Тем самым практически снимается вопрос о научном решении проблемы происхождения жизни, так как все религии требует принимать это положение на веру, без доказательств. Тем не менее, эта концепция до сих пор продолжает пользоваться довольно большой популярностью.
Вплоть до середины XIX века единственной альтернативой креационизму была концепция многократного самозарождения жизни из неживого вещества. Эта точка зрения возникла в древности в связи с тем, что повседневные наблюдения показывали, как в мусорных кучах, гниющих отбросах постоянно появляются личинки, черви, мухи. Поскольку о существовании микроорганизмов в те времена еще не было ничего известно, считалось, что все низшие организмы появляются путем самозарождения. То же самое говорилось о головастиках, которые, как считалось, самозарождались из ила.
Данную концепцию поддерживали такие крупные ученые и выдающиеся мыслители, как Аристотель, Парацедьс. Гарвеи, Коперник, Галилей, Гете, Декарт, Шеллинг и др. их авторитет во многом определил длительный срок существования идеи самозарождения и ее широкое распространение. Достаточно сказать, что опыты Франца Ради, проведенные еще в XVII п., доказали невозможность самозарождения червей и гниющего мяса при отсутствии мух. Реди известен нам и сегодня, как автор знаменитого принципа, получившего ею имя: «Все живое – от живого». Поэтому Реди стал основоположником концепции биогенеза,
утверждавшей, что жизнь возникает только из предшествующей жизни. В XVIII веке итальянец Л. Спаллинцани провел опыты с мельчайшими существами, доказав, что в прокипяченных органических настоях не могут самопроизвольно зарождаться микроорганизмы. Но эти эксперименты не оказали серьезного влияния на господствующую в науке концепцию спонтанного самозарождения.
Лишь в 60-е годы XIX в. в развернувшейся между Ф.А. Пуше и Л. Пастером дискуссии, потребовавшей экспериментальных исследований, удалось строго научно обосновать несостоятельность этой концепции. Опыты Пастера продемонстрировали, что микроорганизмы появляются в органических растворах в силу того, что туда были ранее занесены их зародыши. Если же сосуд с питательной средой оградить от занесения в него микробов, проведя стерилизацию (пастеризацию), то никакого самозарождения не произойдет. Опыты Пастера подтвердили принцип Реди и показали научную несостоятельность концепции спонтанного самозарождения организмов. Но, опровергнув эту концепцию, Пастер, к сожалению, не предложил никакой другой идеи. Поэтому в середине XIX в. наука не могла ничего утвердительно сказать о том, как возникла жизнь на Земле.
В 1865 году немецким ученым Георгом Рихтером на стыке космогонии и физики была разработана гипотеза занесения жизни и живых существ на Землю из космоса – панспермии.
Согласно его идее, зародыши простых организмов могли попасть в темные условия вместе с метеоритами и космической пылью, положив начало эволюции живого, породившей все многообразие земной жизни. Таким образом, концепция панспермии предполагает, что земная жизнь в виде некоторых «семян» широко распространена в космосе.
В 1908 г. шведский химик Сванге Аррениус поддержал гипотезу космического происхождения жизни. Он высказал мысль, что жизнь на Земле началась тогда, когда на нашу планету из космоса попали зародыши жизни. Аррениус считала, что «частицы жизни», носящиеся в бескрайних просторах космоса, переносились давлением света от звезд, оседали то здесь, то там, осеменяя ту или иную планету.
Концепция панспермии была поддержана также Г. Гельмгольцем, В.И. Вернадским, что способствовало ее широкому распространению среди ученых. Довольно большое число сторонников имеет эта концепция, и в наши дни. Так, американские астрономы, изучая газовую туманность, отстоящую от Земли на 25 тысяч световых лет, нашли в ее спектре следы аминокислот и других органических веществ. В начале 1980-х годов американские исследователи обнаружили в Антарктиде осколок породы, выбитой когда-то с поверхности Марса крупным метеоритом.Припомощи электронною микроскопа в этом камне были обнаружены окаменевшие останки микроорганизмов, похожих на земные бактерии. Это говорит о том, что в прошлом на Марсе существовала примитивная жизнь, может быть, она есть там и сейчас. Тем не менее, убедительных аргументов в пользу концепции панспермии нет. При этом есть серьезные доводы противнее.
Дело в том, что, хотя спектр возможных условий для существования живых организмов достаточно широк, все же считается,что они должны погибнуть в космосе под действием ультрафиолетовых и космических лучей.
Были попытки опровергнуть это. Так, голландский ученый М. Гринберг считал, что на нашу планету жизнь была занесена кометами. По его мнению, живые клетки зародились в газовых хвостах комет. Поэтому он попытался воспроизвести в лабораторных условиях кометную среду. Для этого Гринберг смесь метана, окиси углерода и воды охладил до температуря» – 269°С и подверг ультрафиолетовому облучению. В результате он получил сложные органические соединения. Но опыты Гринберга не изменили мнения большинства ученых.
Некоторая часть ученых склоняется к версии о «направленной» панспермии. Она довольно неплохо изложена в произведениях некоторых писателей-фантастов. Суть ее – в признании существования некой галактической сверхцивилизации сеятелей, которые создают и распространяют семена жизни по разным планетам. Среди ее сторонников – английский профессор Ф. Крик, один из первооткрывателей структуры гена. К сожалению, при всей своей привлекательности эта версия не выдерживает строгой научной критики, у нас нет ни одного довода в ее пользу. Кроме того, все существующие варианты концепции панспермии все равно не решают проблемы происхождения жизни. Они лишь выносят ее за пределы Земли – если жизнь была занесена на Землю из космоса, то где и как она возникла там?
Концепция стационарною состояния заявляет о том, что проблемы зарождения жизни вообще не существует. Некоторые ученые, среди которых был и В.И. Вернадский, заявляли, что жизнь на Земле (как и сама Земля) никогда не возникала, а существовала всегда и была занесена из космоса. В разные геологические эпохи менялись лишь формы жизни. Также считается, что живые виды никогда не возникали, а существовали всегда, что у каждого вида есть лишь две возможности – изменение численности или вымирание.
Сторонники этой точки зрения исходят из принципа Рели, утверждающего, что все живое происходит только от живою, а также из отсутствия экспериментов, подтверждающих возможность зарождения живого из неживого. Кроме того, в их пользу говорили научные данные, все дальше отодвигавшие время появления нашей планеты. Если Ашер оценивал возраст Земли и 6 тысяч лет, то в наши дни он увеличился до 4,5 млрд. лет. Также немногочисленные сторонники этой концепции истолковывают в свою пользу неясные аспекты эволюции, разрывы в палеонтологической летописи жизни.
Одним из главных препятствий, стоявших вначале ХХ века на пути решения проблемы возникновения жизни, было господствовавшее тогда в науке и основанное на повседневном опыте убеждение в том, что органические вещества в природных условиях возникают только биогенно, то есть путем их синтеза живыми существами. Считалось, что представили себе естественное возникновение даже простейших организмов изнеорганических веществ (углекислоты, воды, азота и т.д.) совершенно невозможно. Поэтому так важно стало появление концепции А.И. Опарина, вступившей в противоречие с общепринятым тогда мнением. В 1923 г. он выступил с утверждением, что принцип Реди, вводящий монополию биотического синтеза органических веществ, действует лишь в современную эпоху существования нашей планеты. В начале же своего существования, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотические синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция. Затем совершалось постепенное усложнение этих соединении и превращение их в протобионты (доклеточные предки живых организмов). Итогом стало появление первичных живых существ. Иными словами, в раннюю геологическую эпоху было возможно абиогенное происхождение жизни.
Опарин стал рассматривав появление жизни как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли химической эволюции, перешедшей на качественно новый уровень – биохимическую эволюцию. Исходя из теоретических предположений он экспериментально доказал, что под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси первичной атмосферы Земли, содержащие пары воды, аммиака, циана, метана и др., произошло появление аминокислот, нуклеотидов и их полимеров. Также Опарин считал, что данные органические соединения накапливались и концентрировались в «первичном бульоне» гидросферы Земли, после чего часть из них дала начало коллоидным системам, которые он назвал коацерватными каплями.Они и стали предками живых организмов на Земле.
Согласно гипотезе Опарина, возникновение и развитие химической эволюции произошло в ходе образования и накопления в первичных водоемах органических молекул. Весь дальнейший процесс представлялся ему следующим образом. Органические вещества сталкивались в сравнительно неглубоких местах первичных водоемов, прогреваемых солнцем. Солнечное излучение доносило в то время до поверхности Земли ультрафиолетовые лучи, которые в наше время задерживаются озоновым слоем атмосферы. В свою очередь, ультрафиолетовые лучи обеспечивали энергией протекание химических реакций между органическими соединениями. Таким образом, в некоторых зонах первичных водоемов произошли случайные химические реакции. Большая их часть быстро завершалась из-за недостатка исходного сырья. Но в хаосе химических реакций произвольно возникали и закреплялись реакции циклических типов, обладавшие способностью к самоподдержке и самоорганизации. Результатом этих реакций и стали коацерваты – целостные системы, имеющие оболочку, отделяющую их от окружающей среды. Существенной особенностью этих систем была способность поглощать из внешней среды различные органические вещества. Иными словами, они осуществляли первичный обмен веществ со средой, а это – одно из важнейших свойств и условий жизни. Далее, как предполагал Опарин, начал действовать естественный отбор, способствовавший «выживанию» наиболее устойчивых коацерватных систем. По сути дела, эти системы были примитивными белками. Правда, коацерваты, описанные Опариным, были наделены способностью к первичному метаболизму, но не имели специальных структур для передачи генетической информации. По мнению ученого, это свойство, как и свойство целесообразности, приспособленности живых организмов к среде их обитания, возникли позднее, в ходе естественного отбора.
Популярность концепции Опарина в научном мире очень велика. Его книга «Происхождение жизни» вышла в свет еще в 1924 году Но большую часть экспериментов, развивавших идеи ученого, ставали уже в 1950–1960-е годы Так, Стэнли Миллерв ряде экспериментов смоделировал условия, существовавшие на раннем этапе развития Земли В сделанной им установке были синтезированы многие аминокислоты, аденин, простые сахара и другие вещества, имеющие важное биологическое значение После этого Орджел в сходном эксперименте синтезировал простые нуклеиновые кислоты
Таким образом, ученики и последователи Опарина продолжили его исследования, добившись значительных результатов. Но у его концепции есть как сильные, так и слабые стороны.
Сильной стороной концепции является достаточно точное соответствие ее химической эволюции, согласно которой зарождение жизни является закономерным результатом добиологической эволюции материи Убедительным аргументом в пользу этой концепции является также возможность экспериментальной проверки ее основных положений. Это касается не только лабораторного воспроизведения предполагаемых физико-химических условий первичной Земли, но и коацерватов, имитирующих доклеточного предка и его функциональные особенности.
Слабой стороной концепции является невозможность объяснения самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам, ведь ни в одном из поставленных экспериментов получить жизнь так и не удалось. Кроме того, Опарин допускает возможность самовоспроизведения коацерватов при отсутствии молекулярных систем с функциями генетической кода. Иными словами, без реконструкции эволюции механизм наследственности объяснить процесс скачка от неживого к живому не удается.
Попытки решить вопрос о жизни предпринимались философами и учеными на протяжении многих веков. Своими корнями они уходят в эпоху античности. С тех пор прошло более двух с половиной тысяч лет, но в биологии существует лишь шесть концепций, объясняющих происхождение жизни: креационизм – сотворение жизни Богом; концепция стационарного состояния – идея вечности жизни; концепция многократного самозарождения живого из неживого вещества; концепция панспермии – возникновение жизни из космоса; случайное однократное происхождение жизни; закономерное происхождение жизни путем химической эволюции.
3. Современное состояние проблемы происхождения жизни
В настоящее время центральной проблемой о вопросе происхождения жизни на Земле является описание эволюции развития механизма наследственности. Ученые сегодня убеждены, что жизнь возникла только тогда, когда начал действовать механизм репликации. Любая самая сложная комбинация аминокислот и других сложных органических соединений – это еще не жизнь. Но проблема в том, появление праДНК вместо коацерватной капли тоже не может считаться началом жизни на Земле Дело в том, что современная ДНК может функционировать только при наличии белковых ферментов
Таким образом, ученые-биологи, занимающиеся сегодня решением вопроса о происхождении жизни, сводят его к характеристике доклеточного предка – протобионта, его структурных и функциональных особенностей.
Трудность решения этого вопроса объясняется хорошо известным фактом: для саморепродукции нуклеиновых кислот – основы генетического кода – необходимы ферментные белки, а для синтеза белков – нуклеиновые кислоты.
Конечно, проще всего было бы предположить, что оба эти свойства появились одновременно, объединились в единую систему в пределах протобионта, после чего началась их коэволюция – одновременная и взаимосвязанная эволюция. К сожалению, этот компромиссный вариант не получил признания ученых. Дело в том, что белковые и нуклеиновые макромолекулы структурно и функционально глубоко различны. В силу этого они не могла появиться одновременно, в результате одного скачка в ходе химической эволюции. Таким образом, невозможно их сосуществование в протобиологической системе (протобионте).
В результате, на протяжении большей части XX в. ученые вели дискуссию о том, что было первичным – белки или нуклеиновые кислоты, а также о том, как и на каком этапе произошло их объединение в систему, способную к передаче генетической информации и регуляции биосинтеза белков, то есть являющуюся живым организмом.
В зависимости от ответа на вопрос о первичности белков или нуклеиновых кислот, все существующие гипотезы и концепции можно разделить на две большие группы – голобиоза и генобиоза.
Рассмотренная нами концепция Опарина относится к группе голобиоза– методологического подхода, утверждающего первичность структур клеточного типа способных к элементарному обмен веществ при участи ферментных белков. Появление нуклеиновых кислот в этой концепции считается завершением эволюции, итогом конкуренции протобионтов. Эту точку зрения можно назвать субстратной.
Сторонники генобиоза исходят из убеждения в первичности молеклярной системы со свойствами первичного генетического кода. Эту группу гипотез и концепций можно назвать информационной. Примером этой точки зрения может служить концепция Дж. Холдейна. Согласно ей, первичной была не структура, способная к обмену веществ с окружающей средой, а макромолекулярная система, подобная гену и способная к саморепродукции, и поэтому названная им «голым геном».
Вплоть до 1980-х годов имело место четко выраженное противостояние гипотез голобиоза и генобиоза. Оно обрело форму дискуссии при обсуждении вопроса, что старше – голый ген (способность к генетической репродукции) или белковый протобионт (способность к метаболизму). В иной трактовке эта дискуссия стала представлять собой противостояние двух концепций – информационной (генетической) и субстратной (обменно-метаболической).
В рамках этой дискуссии большую популярность приобрела гипотеза английского биохимика П. Деккера, принадлежавшая к направлению голобиоза. Он предположил, что структурной основой предка – биоида – были жизнеподобные неравновесные диссипативные системы. С точки зрения Деккера, они представляли собой открытые микросистемы с мощным ферментативным аппаратом. Биоид подвергался мутациям, накапливал при этом информацию, после чего эволюционировал.
Тем не менее, к началу 1980-х годов чаша весов стала склоняться в пользу концепции генобиоза. Во многом это произошло благодаря новому истолкованию открытого еще Л. Пастером свойства молекулярной хиральности живых организмов. Постепенно ученым стало ясно, что стереохимический код передается одновременно с генетическим кодом. То есть сегодня считается, что если молекулярная хиральность – изначальный и фундаментальный признак живой материи, то способность возрождать хирально чистые молекулярные блоки зародилась столь же раж как и способность к генетической саморепродукции. Функций стереохимического кода стало кодирование построения хирально чистых мономеров, без которых невозможно комплиментарное взаимодействие молекул субстрата и ферментов при биохимических реакциях. Это кодирование производится с помощью молекул ДНК или РНК.
Но оставался нерешенным вопрос о том, какая из этих информационных молекул появилась первой и сыграла роль матрицы для первичной комплиментарной полимеризации? Кроме того, по-прежнему стоял вопрос, как могла функционировать протобиотическая система в отсутствие ферментных белков, если мы допускаем, что они появились позже?
Ответ на эти вопросы был получен к концу 1980-х голов. Он гласил, что первичной была молекула РНК, а не ДНК. Признание этого факта было связано с наличием у РНК уникальных свойств. Оказалось, что она наделена такой же генетической памятью, как и молекула ДНК. Далее была установлена настоящая нездесушность РНК – стало ясно, что нет организмов, в которых отсутствовала бы РНК, хотя есть множество вирусов, геном которых не содержит ДНК. Также, вопреки устоявшейся догме, утверждавшей, что перенос генетической информации идет в направлении от ДНК к РНК и белку, оказался возможным перенос лей информации от РНК к ДНК при участии фермента, открытою в начале 1970-х годов.
В начале 1980-х годов была установлена способность РНК к саморепродукции в отсутствии белковых ферментов, то есть была открыта ее автокаталитическая функция. Это объясняло все нерешаемые ранее вопросы. Таким образом, сегодня считается, что протобионт представлял собой молекулу РНК. Древняя РНК была транспортной и совмещала в себе черты, как фенотипа, так и генотипа. Иными словами, она могла подвергаться как генетическим преобразованиям, так и естественному отбору. Сегодня уже очевидно, что процесс эволюции шел от РНК к белку, а затем к образованию молекулы ДНК, у которой С-Н связи более прочны, чем С-ОН связи РНК.
Очевидно, что возникновение хиральности, а также первичных молекул РНК не могло произойти в ходе плавного эволюционного развития. Судя по всему, имел место скачок со всеми характерными чертами самоорганизации вещества, об особенностях которой уже говорилось выше.
В 1990-е годы появился еще ряд версий, в соответствии с которыми жизнь могла появиться в геотермальных источниках на морском дне, в тонких пленках органического вещества, адсорбированного на поверхности кристаллов пирита или апатитов. Их появление вызвано некоторыми недостатками концепции генобиоза, но они еще не получили достаточного обоснования и развития.
Следующим этапом в процессе появления жизни стало рождение настоящей живой клетки. Сегодня ученые знают о первичной клетке (археклетке) намного больше, чем раньше. Археклетка была первичным живым организмом. У нее, очевидно, была двухслойная оболочка (мембрана), она обладала способностью всасывать через нее протоны, ионы и мелкие молекулы, а ее метаболизм основывался на низкомолекулярных углеродных соединений. В археклетке существовал клеточный скелет, отвечавший за ее целостность, а также обеспечивающий возможность ее деления. Жизнедеятельность клетки обеспечивалась за счет аденозинтрифосфоной кислоты.
Возможно, археклетки были схожи с недавно открытыми археобактериями и представляли собой прото-эукариотную систему, дальнейшая эволюция которых шла как по линии приобретения новых свойств эукариотами, так и по пути их утраты прокариотами. Этот процесс занял несколько миллиардов лет. Считается,чтопервые прокариоты появились более 4 млрд. лет назад. Ими были бактерии и сине-зеленые водоросли – практически бессмертные организмы жившие и очень сложных условиях. Эукариоты появились около 2.6 млрд. лет назад, они уже не были бессмертными, и с их появлением процесс эволюции жизни начал ускоряться.
Существует три гипотезы, объясняющих появление эукариотной клетки.
Согласно аутогенной версии усложнение археклетки шло постепенно по пути приобретения все новых внутренних структур и функций, результатом чего стало появление оформленного ядра.
Существует гипотеза симбиогенеза, которая предполагает, что качественное усложнение клетки и появление в ней ядра произошло в результате внедрения нескольких прокариотных клеток в клетку-хозяина.
Гипотеза споры сводит процесс образования эукариотной клетки к спорообразованию, свойственному многим одноклеточным организмам. Существует возможность торможения процесса спорообразования в результате мутации, что привело к образованию прокариотов. Если же таких мутаций не было, то появились эукариоты.
Какая из этих гипотез верна, покажет будущее.
Таким образом, на протяжении веков менялись взгляды на проблему происхождения жизни, но наука все еще далека отеерешения. Как и сто, и двести лет назад, сегодня продолжаются споры на эту тему, причем веских аргументов в пользу какой-то точки зрения нет и в наши дни. Поэтому выбор позиции определяется внутренними убеждениями каждого участника спора.
Тем не менее, все большее число ученых склоняется к тому, чтобы рассматривать жизнь как особую форму движения материи, закономерно возникшую на определенном этапе ее развития. Разумеется, возникновение жизни содержало элемент случайности, но оно было не абсолютно случайным, а в основе своей закономерным, необходимым. Скорее всего, появление жизни произошло в ходе процесса самоорганизации материи, когда химическая эволюция после одной из точек бифуркации привела к появлению живого организма и началу биологической эволюции.
1. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 1997. – 832 с.
2. Концепции современного естествознания / под ред. С.И. Самыгина. – Ростов/нД: «Феликс», 1997. – 448 с.
3. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. – М.: Гардарики, 1999. – 476 с.
4. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. – М.: ВЛАДОС, 1998. – 232 с.
5. Философские проблемы естествознания. Учеб. Пособие для аспирантов и студентов ВУЗов /Под ред. С.Т. Мелюхина. – М. Высшая школа, 1985.
|
