Концепции возникновения жизни

 

Среди основных гипотез возникновения жизни на Земле можно выделить следующие:

1) Креационизм – божественное сотворение жизни;

2) Концепции многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества;

3) Концепция стационарного состояния - жизнь существовала всегда и всегда будет существовать;

4) Концепция панспермии – внеземного происхождения жизни;

5) Концепция возникновения жизни в результате длительной эволюции, подчиняющейся физическим и химическим закономерностям.

Согласно концепции креационизма жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом. Процесс сотворения мира и жизни здесь мыслится единожды.

Идею самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества мы находим уже у древнегреческих философов. Аристотель писал: что животное может возникать не только путем спаривания животных, но и разложением почвы. Так же обстоит дело и у растений: некоторые развиваются из семян, а другие как бы сами зарождаются под действием всей природы, возникая из разлагающейся земли или определенных частей растений. Данной гипотезы позднее придерживались французский естествоиспытатель Бюффон, автор гипотезы о происхождении Солнечной системы путем столкновения, Пьер Лаплас, считавший, что растения и животные появляются под действием солнечного света.

Наряду с этим широкое распространение находит принцип Реди: «Живое происходит только от живого» – концепция биогенеза (Франческо Реди жил в 17 веке и был придворным врачем Фернандо Медичи). Данной гипотезы придерживался и французский микробиолог Луи Пастер (1822–1895), утверждавший, что живое, даже в такой низшей форме, как бактерия, может возникнуть только от другого живого. Он повторил опыты Ладзаро Спаллацани, которые состояли в следующем. Подвегнув мясные и овощные отвары кипячению в течение нескольких часов он сразу же их запечатал, после чего снял с огня. Исследовав жидкости через несколько дней, он не обнаружил в них признаков жизни. Отсюда вывод: высокая температура уничтожает все формы живых существ и что без них ничто живое уже не могло возникнуть.

Подтверждение теории биогенеза порождает другую проблему. Коль скоро для возникновения живого организма необходим другой организм, то откуда же взялся первый живой организм?

Концепция стационарного состояния не требует ответа на этот вопрос. Согласно этой концепции, Земля никогда не возникала, а существовала вечно. В настоящее время эта концепция отвергается целым рядом неоспоримых фактов, например наличием на Земле радиоактивных веществ.

На данный момент господствующее значение имеют две последние концепции: панспермии и возникновения жизни в результате длительной эволюции.

Согласно концепции панспермии зародыши простых организмов могли попасть в земные условия вместе с метеоритами и космической пылью и положить начало эволюции живого, которая в свою очередь породила все многообразие земной жизни. Концепцию панспермии разделяли такие крупные ученые, как Г. Гельмгольц, С. Аррениус, В.И. Вернадский. Вернадский писал, что биосфера Земли – это источник изменения планеты внешними космическими силами, биосферы различных небесных тел находятся в постоянном взаимодействии друг с другом. Недостатком данной гипотезы является то, что она не предлагает никакого механизма объяснения первичного возникновения жизни. Она просто переносит проблему возникновения жизни в какое-то другое место Вселенной.

Современные представления о происхождении жизни на Земле, в том числе и гипотеза панспермии в ее современном варианте, идут от гипотез русского биохимика А.И. Опарина (1894–1980) и английского физиолога Дж. Холдейна (1860–1936).

В 1923 году Опариным было высказано предположение, что атмосфера первичной Земли была не такой, как сейчас. Первичная атмосфера Земли не должна была содержать свободного кислорода или содержала его в очень малых количествах. Первичные формы жизни развивались в среде без кислорода. При наличии свободного кислорода первичные органические вещества были бы сразу окислены кислородом и окиси превратились бы в неорганические. При этом атмосфера должна была быть насыщена углеродом, который в атмосфере был в виде углекислого газа. Рождение самого углерода происходило в ядерных реакциях, когда в результате синтеза из простых ядер образуются более сложные. Наряду с углекислым газом (35%) первичная атмосфера содержала метан (50%), азот (11%), небольшое количество водяных паров и других газов.

Что касается простейших органических соединений, то скорее всего они стали появляться на земной поверхности с самого начала ее образования. Углеводороды и простейшие органические соединения послужили исходным звеном длинной цепочки превращений, которые в конце концов привели к возникновению на земной поверхности, в водной оболочке и атмосфере большого числа разнообразных соединений. Для этого необходим был достаточный приток энергии, которая на земной поверхности имелась в следующих формах: лучистая энергия Солнца, в частности ультрафиолетовые лучи, электрические разряды в атмосфере, энергия атомного распада природных радиоактивных веществ.

Следующий этап – это переход от органических соединений к живым веществам. Эта центральная проблема возникновения жизни на Земле – объяснение качественного скачка от неживого к живому – все еще далека от ясности. Опариным этот процесс мыслился примерно следующим образом. Сначала образуются макромолекулы, состоящие из большого числа атомов, – сахара, белковоподобные соединения, липиды и др. Из них постепенно формируются коацерваты – полужидкие студенистые капельки, образующиеся в растворах органических веществ, обладающие способностью улавливать растворенные вещества, усваивать их и за счет этого расти и увеличиваться в числе. Скорость роста отдельных коацерватов неодинакова и зависит от их внутреннего строения. Процесс увеличения числа коацерватов происходит за счет распада наиболее крупных из них на дочерние. В новом поколении все неудачно организованные коацерваты погибают, разлагаются, а наиболее совершенные участвуют в дальнейшей эволюции материи.

Академик Опарин считал, что именно эти коацерватные капли при определенных условиях могли дать начало образованию первичных живых систем. Образовавшиеся в земной гидросфере коацерватные капли находились погруженными не просто в воде, а в растворе разнообразных органических веществ и неорганических солей. Эти вещества и соли адсорбировались коацерватными каплями и затем вступали в химическое взаимодействие с веществом самого коацервата. Происходили процессы синтеза. Но параллельно с ними шли и процессы распада. Скорость как тех, так и других процессов зависела от внутренней организации такой капли. Более или менее длительно могли существовать только капли, обладавшие известной динамической устойчивостью, в которых при данных условиях внешней среды скорости синтетических процессов преобладали над скоростями разложения. В обратном случае капли были бы обречены на исчезновение. Индивидуальная история таких капель быстро обрывалась, и поэтому такие «плохо организованные капли» уже не играли никакой роли в ходе дальнейшей эволюции органической материи.

Таким образом, согласно Опарину, коацерваты обладают свойством улавливать и впитывать в свою структуру некоторые вещества из окружающего их низкомолекулярного раствора. В этом он усматривает зачаточные формы процесса обмена веществ – важнейшего, по его мнению, атрибута жизни.

И.С. Шкловский по этому поводу пишет так: «Наличие аналогов обмена веществ и естественного отбора у коацерватов еще не есть доказательство того, что они могли привести к образованию первых примитивных живых организмов. Основными свойствами всякого живого организма, помимо обмена веществ, является наличие «копировальной системы», кода, передающего по наследству все характерные признаки данной особи. Между тем у коацерватов ничего подобного нет. Изобилие на первобытной земле всевозможных, в том числе и достаточно сложных, «строительных белков», из которых построено все живое, еще не объясняет, как возникла и стала функционировать живая субстанция, представляющая собой даже в самых простых формах весьма сложную машину, а если говорить точнее, великолепно работающую современную фабрику – автомат».

«Управляющая система» этой фабрики сосредоточена в одномерной структуре ДНК, хранящей информацию, записанную на языке, состоящем из четырех букв (оснований). Система осуществляет перевод этого языка на язык строящихся по ее командам белков, состоящий из 20 букв (аминокислот).

Далее Шкловский пишет: «Как произошел качественный скачок от неживого к живому, гипотеза А.И. Опарина не объясняет. Только привлечение основных представлений современной молекулярной биологии, а также кибернетики, может помочь решению этой важнейшей, основной проблемы».

И далее: «Центральной проблемой происхождения жизни на Земле является реконструкция механизма наследственности. Жизнь возникла только тогда, когда начал действовать механизм репликации».

Из сложившейся ситуации возможны два выхода: 1) химическая эволюция привела к спонтанному зарождению жизни; 2) на нашей планете жизнь возникла благодаря панспермии, семена жизни проросли при благоприятных физических условиях.

Рассмотрим эти две возможности.

В принципе жизнь могла возникнуть спонтанно, случайно (первая возможность). Но при этом важно, сколько времени потребуется на то, чтобы данное событие произошло случайно. Жизнь определяется, согласно сказанному выше, синтезом молекул РНК и ДНК. Генетический код состоит из четырех «букв». Необходимо будет перепробовать 10^{600 000} комбинаций из четырех «букв», одна из которых окажется именно той, от которой произойдет жизнь. На каждую из таких комбинаций требуется определенное время. Если все будет происходить очень быстро (по миллиону комбинаций в каждую секунду времени), то на перебор всех возможных комбинаций уйдет не менее ста миллиардов лет. Вселенная после «Большого Взрыва» существует примерно 13 миллиардов лет. Получается, что у нее просто не было времени для «игры в кости», перебора всех возможных комбинаций.

Более убедительной выглядит вторая возможность: жизнь возникла не случайно, а путем целенаправленного действия некой силы. Вернадский по этому поводу писал: «Лик Земли ими (силами) меняется, ими в значительной степени лепится. Он не есть отражение только нашей планеты, проявление ее вещества, он одновременно является созданием внешних сил Космоса». Вернадскому принадлежат и следующие слова: «Твари Земли являются созданием сложного космического механизма, в котором, как мы знаем, нет случайности».

Как развивалась жизнь после появления первых живых организмов?

После появления первых простейших живых организмов на Земле начинается процесс биохимической эволюции. Самыми первыми были одноклеточные организмы – бактерии. От коацервата бактерию отличает более сложное строение: наличие цитоплазмы, клеточных стенок, рибосом и ДНК, в которой содержится информация об организме. Первые организмы овладевают бесполым размножением, в процессе которого они не просто «распадаются» на части, но благодаря ДНК передают свои свойства потомкам. Самые первые одноклеточные существа принадлежали к гетеротрофам, т.к. они не были способны к синтезу органических соединений, а подобно коацерватам поглощали из вне сложные органические соединения и расщепляли их до более простых. Позднее появляются автотрофы – микрооранизмы, способные питаться минеральными веществами, строя из них необходимые для жизнедеятельности органические соединения. Следующим этапом стало появление цианофитов – микроорганизмов, способных к процессу фотосинтеза. В результате появления фотосинтеза появляется свободный кислород. Появление свободного кислорода приводит к возникновению и совершенствованию системы кислородного дыхания. Появление фотосинтезирующих организмов стало предпосылкой и для появления вторичных гетеротрофов, т.е. живых существ, питающихся другими живыми существами. Появляются самые разные одноклеточные, а затем и многоклеточные хищники. Появление кислорода приводит к образованию озона и развитию озонового слоя вокруг земной атмосферы. Живые организмы оказались теперь под надежной защитой от ультрафиолетового излучения. Благодаря этому жизнь смогла "выйти" из воды на сушу, где она была ранее невозможна из-за губительного ультрафиолетового излучения. Появляются хвощи, папоротники. Развивается наземная растительность и образуется почва. Становится возможным выход животных на поверхность континентов. Далее развитие растительного мира приводит к возникновению лесов, хвойных и цветковых растений. Появляются птицы, благодаря которым живое вещество захватывает нижнюю часть атмосферы – тропосферу, усиливается обмен веществ между морем и сушей.

К наиболее крупным изменениям в биосфере Земли приводит возникновение человека. С расселением первобытного человека по всей поверхности материков в недрах биосферы стала формироваться антропосфера.

Схематически путь эволюции органического вещества на Земле можно представить в следующем виде:

1) образование Земли;

2) возникновение живых систем; клетка;

3) эволюция одноклеточных; возникновение клеточной дифференциации;

4) эволюция многоклеточных;

5) человек.

Развитие жизни на Земле можно приурочить к следующим эпохам:

1) жизнь появилась на очень раннем этапе истории нашей планеты (первые сотни миллионов лет);

2) биологическая эволюция от примитивных бактерий до развитой цивилизации продолжалась очень долго (более 4 млрд. лет);

3) в процессе эволюции жизни атмосфера планеты из бескислородной стала кислородной.

Возраст Вселенной около 15 млрд. лет, Земли – 4,5; фотосинтез и кислородная атмосфера возникли 3,5…3,8 млрд. лет назад, тогда же появились эукариотные организмы (т.е. состоящие из клеток с ядром), первые многоклеточные (без скелета, желеподобные) – 1 млрд. лет назад, первые организмы со скелетом – 600 млн. лет назад, «выход» жизни из моря на сушу – 400, первые млекопитающие – 65, обезьяны – 35, австралопитек – 3,5 млн. лет назад, кроманьонский человек – 40 тыс. лет назад.