КОНЦЕПЦИИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ

Происхождение жизни – одна из самых важнейших мировоззренческих проблем наряду с проблемой происхождения нашей Вселенной и проблемой происхождения человека. Сведениями о распространении жизни во Вселенной и о возможных ее внеземных формах наука не располагает. Весь наш опыт в этой области ограничен единственным доступным примером – Землей, но и эти знания жизни далеки от полноты. Проблема происхождения жизни относится к наиболее интересным и в то же время наименее исследованным вопросам, связанным с философией и религией. Н.Н.Моисеев считает, что жизнь является системным свойством, возникающем лишь на определенном уровне сложности организации материи.

Перечислим основные концепции, связанные с возникновением жизни на земле:

1.Креационизм – божественное сотворение живого (creatio – сотворение (лат.)). Утверждает, что живое вещество сотворено высшей силой – богом, возникновение жизни – результат творческого акта, совершенного в определенное время. Концепция опирается на Библию, согласно которой акт творения произошел только однажды. В 1650 г. архиепископ Ашер из Ирландии, анализируя возраст и родственные связи всех упоминаемых в Библии лиц, вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н.э., а в 9 часов утра 23 октября сотворил человека. Однако, согласно археологическим раскопкам, на Ближнем Востоке в это время уже была развитая цивилизация. Данная концепция является религиозной и к науке отношения не имеет.

2. Концепция самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества. Эта теория восходит к Фалесу, Эмпедоклу, Демокриту и Анаксагору. У Демокрита начало жизни было в иле, у Фалеса – в воде, у Анаксагора – в воздухе. Более подробно развил гипотезу о самозарождении жизни Аристотель. Согласно его взглядам, внутри неживого вещества существуют определенные «частицы», содержащие «активное начало», которое при определенных условиях может создать живой организм. Аристотель считал, что активное начало есть в яйце, солнечном свете, гниющем мясе. Аристотель сформулировал идею постепенного и непрерывного развития живого из неживого и создал представление о «лестнице природы» применительно к животному миру. Он не сомневался в самозарождении мышей, лягушек и др. мелких животных. Подобных взглядов придерживались Парацельс, Коперник, Галилей, Декарт и другие. Благодаря их авторитету концепция самопроизвольного зарождения жизни просуществовала довольно долго.

Начиная с XVII века стали накапливаться данные, противоречащие концепции самозарождения жизни. В 1668 г. флорентийский врач Ф.Реди в своих опытах доказал, что белые черви, появляющиеся в гниющем мясе, являются личинками мух. Если мясо изолировать от мух, то черви не появляются. В результате опытов Реди сформулировал принцип: «Все живое происходит только от живого». Его считают основоположником концепции биогенеза, утверждающей, что жизнь возникает только из предшествующей жизни.

После изобретения микроскопа и открытия микроорганизмов произошло некоторое оживление концепции самозарождения. В 1745 г. Д.Нидхем из Лондона в своих опытах обнаружил, что в питательном бульоне после кипячения через некоторое время появляются микробы. Это он считал доказательством возможности абиотического зарождения жизни.

Окончательное крушение концепции самозарождения связано с опытами Луи Пастера в середине XIX в. Луи Пастер, изучавший деятельность бактерий, провел серию опытов, показавших невозможность самозарождения микроорганизмов в мясном отваре при должной стерилизации аппаратуры. Тем самым он доказал, что микроорганизмы появляются в органических растворах в том случае, если туда ранее были занесены их зародыши, бактерии вносятся в питательную среду с мельчайшими частицами пыли, постоянно присутствующими в обыкновенном воздухе. Если же сосуд с питательной средой оградить от занесения в него микробов, то никакого самозарождения не произойдет. Опыты Пастера подтвердили принцип Реди и показали научную несостоятельность концепции спонтанного самозарождения жизни.

3. В концепции стационарного состояния жизни утверждается, что жизнь на Земле существовала всегда, всегда существовали различные виды живого. При этом одни виды при изменении условий окружающей среды вымирали, другие перемещались в новые биологические ниши, третьи резко меняли свою численность. Аргументы в пользу этой концепции основаны на исследованиях палеонтологов, установивших исчезновение некоторых видов животных в процессе эволюции, отсутствие следов переходных звеньев между разными видами живого. У этой концепции сторонников было мало.

4. Концепция панспермии была предложена немецким ученым Г.Рихтером в 1865 г. Согласно этой концепции жизнь была занесена на Землю из космоса. Эта гипотеза переносит проблему возникновения жизни в другое место Вселенной, но не дает механизма первичного возникновения жизни. Концепция допускала возможность возникновения жизни в разное время в разных частях Вселенной и перенесения ее на Землю тем или иным способом. Либих считал, что «атмосферы небесных тел», а также вращающихся космических туманностей можно считать вековечными хранилищами оживленной формы, вечными плантациями «органических зародышей», откуда жизнь рассеивается в виде этих зародышей по Вселенной. Основные идеи концепции панспермии разделяли крупнейшие ученые конца XIX в. У.Томсон (Кельвин), Г. Гельмгольц и др. В начале XX в. с идеей радиопанспермии выступил шведский химик С.Аррениус. Он считал, что с населенных другими существами планет уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Они сохраняют свою жизнеспособность, летая в пространстве Вселенной за счет светового давления. Попадая на планету с подходящими условиями, они начинают новую жизнь на этой планете. Эту идею поддерживали русские ученые С.П. Костычев, Л.С. Берг, П.П. Лазарев. Эксперименты показали, что некоторые нынешние земные бактерии могут оставаться живыми в космическом пространстве до 6 лет.

Для обоснования панспермии обычно используют наскальные рисунки с изображением предметов, похожих на ракеты или космонавтов, появления Н.Л.О. При изучении вещества метеоритов, падающих на Землю, были обнаружены многие химические вещества – предшественники живого – органические соединения, синильная кислота, вода, формальдегид, цианогены. В 1975 г. в лунном грунте были найдены предшественники аминокислот. Американские астрономы, изучая газовую туманность, отстоящую от Земли на 25 тыс. световых лет, обнаружили в ее спектре следы аминокислот и других органических веществ. Международная группа ученых из США, России, Швеции и Канады обнаружила следы древних бактерий, способных выживать на протяжении полумиллиона лет во льдах и в условиях крайне низких температур. Специалисты полагают, что подобные микроорганизмы могут выживать и в условиях Марса в зонах вечной мерзлоты на полярных шапках планеты. Полученные в 2006 г. результаты миссии Deep Impact по исследованию кометного вещества доказали наличие в кометном веществе воды и простейших органических соединений. Это указывает на кометы как на один из возможных переносчиков жизни во Вселенной.

Тем не менее, серьезных аргументов в пользу концепции панспермии нет. Полеты космических аппаратов разрушили веру в существование разумной жизни на планетах Солнечной системы. На сегодня для ученых стало почти очевидным, что ни одна из планет Солнечной системы, кроме Земли, не содержит жизни. О существовании жизни вне солнечной системы пока определенно сказать ничего нельзя. Тем не менее, ученые-биохимики считают, что органическая жизнь вполне может возникать и развиваться на других планетах в окрестности большинства звезд, подобных нашему Солнцу. Возможно, что в возникающей на них органической жизни основой является не углерод, а жизнь развивается на совершенно другой биохимической основе.

В последние годы зародилось понятие техногенной панспермии. Ученые опасаются, что с космическими аппаратами, отправляемыми к другим космическим объектам, мы можем занести туда земные микроорганизмы, которые в результате мутации под действием космической радиации могут претерпеть непредвиденные изменения. Или наоборот, доставляя с других космических объектов частицы грунта, мы можем занести на Землю опасные для земных существ микроорганизмы.

5. Концепция случайного происхождения жизни. Американский генетик Г. Мёллер выдвинул гипотезу о случайном происхождении первичной молекулы живого вещества. Гипотеза предполагает, что живая молекула, способная размножаться, могла случайно возникнуть в результате взаимодействия простейших веществ. Мёллер считает, что основой жизни является ген. Жизнь в форме гена, по его мнению, возникла путем случайного сочетания атомных группировок и молекул, существовавших в водах первичного океана. Но подсчеты показывают, что вероятность такого события очень мала. Большинство ученых отказались от такого предложения.

6. Концепция биохимической эволюции (абиогенез) – происхождение жизни на Земле из неживого вещества в историческом прошлом в результате закономерной эволюции материи, в ходе процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам. Жизнь – это свойство материи, которое ранее не существовало и появилось в особый момент истории нашей планеты. Возникновение жизни явилось результатом процессов, которые протекали сначала миллиарды лет во Вселенной, а затем многие миллионы лет на Земле. От неорганических соединений к органическим, от органических – к биологическим – таковы последовательные стадии, по которым осуществлялся процесс зарождения жизни. Современная наука считает, что развитие природы носит направленный характер, выражающийся в нарастании со временем сложности и упорядоченности вещества и его структур. Жизнь – одна из самых высоких известных человеку форм упорядоченности вещества, которая может возникнуть только по достижении развивающейся Вселенной определенной стадии эволюции и только в таких ее локальных системах, где предыдущее развитие подготовило необходимые условия для перехода к столь высокому уровню упорядоченности вещества. Такие условия могут возникнуть во многих локальных системах, например на многих планетах, образовавшихся около звезд определенного типа. Но потенциальные возможности реализуются, видимо, лишь в небольшом числе случаев, и здесь велика роль случайности.

Идею эволюционизма впервые сформулировал французский биолог Ж.-Б.Ламарк. Он обосновал идею постепенного развития во времени живой природы под воздействием естественных причин. Ламарк сформулировал положение о роли среды в возникновении многообразия форм живых существ, ее влиянии на величину, строение и функции их органов. В работе «Философия зоологии» Ламарк развивал взгляды о постепенном повышении организации живых существ от простейших до человека в результате усложнения их строения – появления новых функций и новых органов. Развитие организмов, по мнению Ламарка, обусловлено внутренне присущим им стремлением к совершенству и вынужденной необходимостью приспосабливаться к меняющимся условиям внешней среды. Дальнейшее развитие концепция эволюционизма получила в работах английского биолога Ч.Дарвина, который в 1859 г. опубликовал фундаментальный труд «Происхождение видов путём естественного отбора, или сохранение благоприятствующих пород в борьбе за жизнь». Эту гипотезу поддерживал К.А. Тимирязев.

Эволюционную идею положили в основу гипотезы многоступенчатого пути развития материи, предшествовавшего зарождению жизни на Земле, А.И. Опарин в 1924 г. и американский исследователь Дж. Холдейн в 1929 г.

В сложном процессе возникновения жизни на Земле можно выделить несколько этапов. Первый из них связан с образованием простейших органических соединений из неорганических.

На начальном этапе Земля представляла собой раскаленную планету. При охлаждении Земли появились химические соединения: вода, метан, углекислый газ, аммиак, цианистый водород. По мнению американского биохимика Г.Юри, первичная атмосфера Земли состояла из метана, аммиака, водорода, аргона, неона, гелия.

Когда температура поверхности Земли опустилась ниже 100⁰С, произошло сгущение водяных паров и образование первичного океана, в котором в результате ряда химических процессов накапливались простейшие органические вещества.

Второй этап биогенеза характеризовался возникновением более сложных органических соединений, в частности белковых веществ в водах первичного океана. Благодаря высокой температуре, грозовым электрическим разрядам, усиленному ультрафиолетовому излучению простые молекулы органических соединений при взаимодействии с другими веществами усложнялись и образовывали углеводы, белки, аминокислоты, нуклеиновые кислоты. Воды мирового океана постепенно насыщались различными органическими веществами, образуя «первичный бульон».

Дальнейший этап биогенеза связан с концентрацией органических веществ, возникновением белковых тел. В водах первичного океана концентрация органических веществ увеличивалась, происходило их смешивание, взаимодействие и объединение в мелкие обособленные структуры. Эти обособленные в растворе органические мономолекулярные структуры выдающейся русский ученый А.И. Опарин назвал коацерватными каплями, или коацерватами. Исследования показали, что коацерваты имеют достаточно сложную структуру и обладают рядом свойств, которые сближают их с простейшими живыми существами, но они лишены способности к самовоспроизведению и саморегуляции синтеза органических веществ. Теория биохимической эволюции рассматривает коацерваты как предбиологические системы (протобионты).

Завершение процесса биогенеза связано с возникновением у более стойких коацерватов способности к самовоспроизведению составных частей, с переходом к матричному синтезу белка, характерному для живых организмов. В ходе предбиологического отбора наибольшие шансы на сохранение имели те коацерваты, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению. Переход к матричному синтезу белков был величайшим качественным скачком в эволюции материи. Однако механизм такого перехода пока не ясен. Наиболее перспективными гипотезами, объясняющими этот переход, являются гипотезы, опирающиеся на принципы теории самоорганизации, синергетики, на представления о гиперциклах, т.е. системах, связывающих самовоспроизводящие единицы друг с другом посредством циклической связи. В таких системах продукт реакции одновременно является ее катализатором. Поэтому возникает явление самовоспроизведения.

Концепция Опарина относится к группе концепций голобиоза – методологического подхода, утверждающего первичность структур, способных к элементарному обмену веществ при участии ферментных белков. Появление нуклеиновых кислот в этой концепции считается завершающим этапом, итогом конкуренции протобионтов.

Американский генетик Дж.Холдейн в 1929 г. выдвинул концепцию происхождения жизни на Земле, согласно которой первичной была не структура, способная к обмену веществ с окружающей средой, как у Опарина, а макромолекулярная система, подобная гену со свойствами первичного генетического кода и способная к саморепродукции. Эта концепция получила название генобиоза.

Сторонники генобиоза считают, что протобионт представлял собой молекулу РНК. Академик А.С.Спирин считает, что молекула РНК является наиболее самодостаточным веществом живой материи. Она способна выполнять все функции, которые свойственны белкам, включая формообразование и биохимический катализ, и в то же время может быть полноценным генетическим веществом с его репликативной и кодирующей функциями. Осознание этих фактов привело биологов, химиков и геологов к гипотезе о древнем «мире РНК», который эволюционно предшествовал нынешней ДНК-РНК-белковой жизни. В мире РНК не было ни белков, ни ДНК, а лишь ансамбли различных молекул РНК, выполняющих разные функции. По мнению А.С.Спирина, совокупность молекул РНК по-прежнему составляет ядро жизни. Признание этого факта связано с рядом свойств РНК: присутствием РНК во всех организмах, в то время как в геноме многих вирусов ДНК отсутствует; способностью РНК к саморепродуции в отсутствие белковых ферментов; возможностью переноса информации от РНК к ДНК при участии фермента. А.С.Спирин считает: «Современная жизнь – это РНК, передавшая часть своих генетических функций рожденному ею же родственному полимеру – ДНК, и синтезирующая белки для всеобъемлющего эффективного функционирования содержащих ее компартментов – клеток и многоклеточных организмов».

М.Эйген в работе «Самоорганизация материи в ходе химической эволюции» (1971 г.) высказал гипотезу о механизме зарождения макромолекул, необходимых для строительства белка, путем введения понятия конкуренции гиперциклов (циклов химических реакций, приводящих к образованию белковых молекул). Эйген разработал модель добиологической эволюции, позволяющую понять возникновение порядка из беспорядка, используя уже установленные понятия физики и теории информации. Гиперциклы в теории Эйгена образуют особый класс самоорганизующихся химических цепей, на которые распространяются принципы дарвиновского отбора. Циклы, работающие быстрее и эффективнее, побеждают в конкурентной борьбе и выживают. Пищей служат молекулы мономеров, присутствующие в «первичном бульоне», которые поглощаются при полимеризации или в ходе циклических реакций.

По мнению Э.М.Галимова, не РНК или полипептиды, а молекула аденозинтрифосфата (АТФ) находится в истоке химического эволюционного процесса, приведшего к возникновению живого.

В 1953 г. С.Миллер смоделировал условия первичной атмосферы Земли, сформулированные Г.Юри, в экспериментальной установке. Пропуская искровой разряд через смесь метана, аммиака, водорода и воды, ему удалось синтезировать ряд аминокислот, аденин, глицин, глутаминовую кислоту и простые сахара, имеющие важное биологическое значение. Позже Л.Орджелл синтезировал простые нуклеиновые кислоты в сходном эксперименте. В этих опытах была доказана возможность абиогенного происхождения полимеров, лежащих в основе живого вещества, что экспериментально подтверждало концепцию Опарина.