Проблемы происхождения жизни

Существует несколько концепций происхождения жизни:

А — концепция самопроизвольного зарождения жизни на Земле.

Б — панспермия (от греч. pan — все, sperma — семя) — жизнь занесена на нашу планету из глубокого космоса.

В — концепция стационарного состояния (жизнь всегда существовала на

Земле).

Г — концепция биохимической эволюции (жизнь на Земле возникла в результате сложных процессов, подчиняющихся универсальным физическим и химическим законам, господствующим в природе).

Д — креационизм (жизнь была создана Богом в определенное время, и ее эволюция определяется Божественным всеобщим законом).

Ε — концепция «2К» (кооперация и коммуникация) — эта концепция была разработана в 1900 г. русским ученым-философом П.А.Кропоткиным (1842—

1921). В ней идет речь в основном о механизме биологической эволюции.

А. Концепция самопроизвольного зарождения жизни на Земле.Эта концепция оказала большое влияние на развитие биологических представлений о жизни. В основе ее лежит гипотеза, получившая название абиогенеза, в которой утверждается возможность возникновения жизни из неживого вещества. Противоположной абиогенезу является гипотеза биогенеза, категорически

отрицающая возможность возникновения живого из неживого. Основной тезис

этой гипотезы: живое только от живого. Гипотеза абиогенеза в форме учений была сформулирована в древнем Китае, Вавилоне, Египте и в Древней Греции. Однако именно с именем Аристотеля связывают обычно появление этой концепции. Согласно Аристотелю существует некое активное начало (энтелехия), которое присутствует в зародыше животных, семян растений, в солнечном свете и даже в безжизненных телах. Наличие этого активного начала мира объясняет возможность самозарождения жизни, по Аристотелю: «Таковы факты — живое может возникнуть в результате не только спаривания животных, но и разложения почвы. Так обстоит дело и у растений: некоторые развиваются из семян, а другие как бы зарождаются под действием сил природы, возникая из разлагающейся земли или определенных частей растений».

В эпоху Средневековья Фома Аквинский (1225—1274) был сторонником этого учения Аристотеля. Он считал, что самозарождение осуществляется ангелами, использующими для этого солнечные лучи, созданные Богом Солнца. Гипотеза самозарождения жизни интересовала исследователей эпохи Возрождения и Нового времени. Ряд из них пытался экспериментально доказать справедливость возможности возникновения живого из неживого. Среди подобных попыток особое место занимает опыт голландского ученого Ван Гельмонта (1577—1644). Он описал эксперимент, в котором за три недели якобы создал мышей. Собственную грязную рубашку он положил в темный, плотно закрывающийся шкаф с горстью пшеницы. Через три недели, открыв его, он обнаружил мышей. Следуя Аристотелю, он полагал, что пот его тела на рубашке был «активным началом» для самопроизвольного зарождения мышей. «Опыт» В. Гельмонта положил начало строгому осмыслению понятия эксперимента в науке. Многие сторонники Аристотеля часто приводили сомнительные описания происхождения, например, жаб из утиных трупов или из капель жидкости и т. п. Например, неаполитанский ученый-любитель Джанбатиста делло Горсто опубликовал в 1558 г. книгу под названием «Магия природы», в которой

приводится описание местности, где из трупов уток образуются жабы.

В английском переводе книга вышла в Лондоне в 1568 г. и запомнилась читателям стихотворной фразой утки: «Когда меня гноят в земле, я жаб произвожу на свет». В 1688 г. итальянский врач, исследователь Ф. Реди (1626—

1697) опубликовал книгу под названием «Опыты по самозарождению насекомых». Он привел строгое описание эксперимента по образованию червей в гниющем мясе трупов трех змей. Его вывод гласил: все черви, обнаруженные в мясе, произошли из отложений, сделанных мухами, а не из гниения мяса. Книга

Ф. Реди многократно переиздавалась, расширяя круг сторонников биогенеза и критиков концепции самозарождения Аристотеля. Книга Ф. Реди указывала

существенные трудности гипотезы абиогенеза в ее классической форме,

которую представляла концепция Аристотеля. Однако открытие голландским ученым-самоучкой Антони ван Левенгуком (1632—1723) микроорганизмов снова возродило интерес к гипотезе абиогенеза, выраженной в ее классической форме в концепции Аристотеля, но уже в XVIII в.

Английский священник Дж. Нидхем (1713—1781) приводил аргументы в пользу гипотезы абиогенеза: микроорганизмы возникают из небиологического материала или тел. Он утверждал, что если баранью подливку и подобные ей настои сначала нагреть, а затем герметически закрыть в сосуде с небольшим количеством воздуха, то нагревание должно убить все микроорганизмы в этом материале. Но в этом же материале снова рождались микроорганизмы, о чем свидетельствовали наблюдения после герметизации сосуда.

Итальянский аббат исследователь Ладзаро Спалланцани (1729—1799) провел в

1765 г. эксперимент. Подвергнув мясные и овощные отвары кипячению в течение

нескольких часов, он сразу же их герметично закрыл, после чего снял с огня.

Исследовав образовавшиеся жидкости, он не обнаружил в них микроорганизмов.

Из этого опыта он сделал вывод, что высокая температура уничтожает все живое

и что живое не может возникнуть из неживого.

На этот вывод Дж. Нидхем высказал возражение: чрезмерное нагревание внутри закрытого сосуда убивает очень важные для процесса самозарождения организмов элементы, без которых самозарождение вообще невозможно. Как оказалось в дальнейшем, в этом утверждении Дж. Нидхема содержится определенная доля истины: при сильном нагревании, в присутствии органического вещества, содержащийся в воздухе кислород исчезает, а он необходим для живых микроорганизмов. Спор между представителями абиогенеза и биогенеза разрешился к концу XIX в. в пользу гипотезы биогенеза.

В 1860 г. выдающийся французский микробиолог Луи Пастер (1822—1895) провел ряд точных экспериментов, в основе которых лежали методы Спалланцани. Он доказал, что, несмотря на вездесущность и способность бактерий всюду проникать, заражать живое, тем не менее живое зарождается только из живого. Опровержение гипотезы абиогенеза в ее классической форме, в виде концепции Аристотеля, поставило перед исследователями ряд вопросов:

1. Представители витализма(лат. vitalis — жизненный) расценили

опровержение концепции самопроизвольного зарождения жизни как неопровержимое доказательство того, что живое является проявлением «особой жизненной силы», которую невозможно понять с позиции естественных наук. Витализм появился впервые во Франции в работах Луи Дюма (1765—1813).

2. Если живое происходит только от живого, то откуда и как появился первый живой организм?

3. Если права гипотеза биогенеза, то между живым и неживым существует непреодолимая пропасть. Осмысление этих проблем привело, с одной стороны, к возникновению концепции панспермии, а с другой стороны, к созданию (в первых десятилетиях прошлого века) новой формы гипотезы абиогенеза, получившей название концепции «биохимической эволюции».

Б. Панспермия.Крушение концепции самопроизвольного происхождения жизни в ее классической форме оценивалось исследователями по-разному. Например, Ч. Дарвин в одном из своих писем в 1863 г. писал, что сущий вздор рассуждать сейчас о происхождении жизни. С тем же успехом можно было бы рассуждать о происхождении материи. Ч. Дарвин имел в виду уровень естественно-научных знаний того периода. Но иначе по этому поводу думали в конце XIX в. два выдающихся физика того времени: Г. Гельмгольц и У. Томсон (Кельвин). Г. Гельмгольц высказал мысль, что если все наши попытки получить живые организмы из неживой материи провалятся, то с научной точки зрения правомочно задать вопрос: возникала ли жизнь когда-нибудь вообще или ее зародыши переносятся из одного мира в другой и развиваются повсюду, где есть подходящие условия?

У. Томсон (Кельвин) также считал отнюдь не научной точкой зрения предположение, что в космосе движется бесчисленное множество метеоритных камней, несущих семена жизни, и что жизнь на Земле произошла благодаря таким обломкам более древних миров, которые попали на нашу планету. Создание концепции панспермии было осуществлено в 1908 г. шведским химиком С. Аррениусом (1859—1927). Он допустил, что споры бактерий и вирусов могут уноситься, в том числе и с нашей планеты, под действием электромагнитных сил

и перемещаться в космосе под давлением света звезд. В частности, согласно взглядам этого ученого споры могут оседать на частицы пыли и тем самым путешествовать в космосе. Созданную С. Аррениусом концепцию панспермии называют классической формой изложения концепции панспермии.

В качестве новой формы этой концепции сегодня рассматривается гипотеза о существовании внеземных цивилизаций. Согласно этой концепции

направленной панспермиижизнь на Землю «доставлена» некоей более развитой

цивилизацией из другой галактики целенаправленным образом. В качестве доказательства этой гипотезы ее авторы ссылаются на неоднократные посещения

в прошлом и настоящем нашей планеты неопознанными летающими объектами (НЛО). Представители классической концепции панспермии основывают свои взгляды обычно на результатах исследования метеоритов. Например, при исследовании двух метеоритов — первый упал в 1950 г. возле местности Мози (штат Кентукки, США), второй — в местности Мергисон (штат Виктория, Австралия) в 1969 г. — были обнаружены отдельные аминокислоты и жирные кислоты (метеорит Мергисон). На основе исследований метеоритов ученые пытаются ответить на ряд вопросов: 1) как живое может образоваться в условиях глубокого космоса? 2) если спермы живого переносятся в космическом пространстве, то почему «земная жизнь» не освоила Солнечную систему? Например, на Луне должны быть представители живого, но они не обнаружены.

В. Концепция стационарного состояния.Согласно этой концепции Земля никогда не возникала и существует вечно и всегда способна поддержать жизнь. Если и происходили изменения Земли, то очень незначительные. В качестве главного аргумента сторонники этой концепции выдвигают существующие неопределенности в физических, химических, геологических теориях при определении возраста Земли и Вселенной в целом. Виды, согласно этой концепции, существовали всегда и для всех них есть только две возможности: выживать за счет численности либо вымирать. Сторонники этой концепции ставят под сомнение и результаты палеонтологических исследований об изменении живых организмов во времени. Например, по палеонтологическим данным, кистеперые рыбы вымерли 70 млн лет назад. Однако представители этого вида были обнаружены в районе Мадагаскара в наше время. Сравнение палеонтологических данных с существующими видами может иметь, по мнению сторонников этой концепции, лишь экологический смысл: перемещение вида, увеличение его численности или вымирание в неблагоприятных условиях. Существующие разрывы в палеонтологической летописи видов, на которые обратил внимание французский ученый Ж. Кювье (1769—1832), и объяснение и возникновения периодически случающимися катастрофами на Земле используются сторонниками этой концепции в качестве аргументов в пользу вечного, не возникающего и не исчезающего феномена жизни.

Концепция биохимической эволюции.Концепция биохимической эволюции — это современное развитие гипотезы абиогенеза. В ней исследуется биохимический уровень эволюции живого на Земле:

1. Какие физические, химические и геологические условия могли способствовать возникновению органических соединений из неорганических в историческом прошлом Земли?

2. Как могло происходить образование жизненно важных полимеров из мономеров для живых организмов?

3. Какие полимеры возникли первыми: белки, не способные к самовоспроизведению, или нуклеиновые кислоты молекул ДНК и РНК?

4. Первыми возникли молекулы РНК или ДНК?

5. Какими могли быть первоначальные организмы с точки зрения механизма обмена веществ, строения и взаимодействия с другими организмами?

6. Как возникла клетка?

7. Каково биохимическое содержание главных факторов эволюции живого, естественного отбора и генетического механизма наследственности и изменчивости?

Основателями этой концепции являются два автора, которые независимо друг

от друга развили сходные идеи: академик А. Опарин (1894-1980) и англичанин Дж. Холдейн (1892-1964). В 1924 г. А. Опарин, а затем в 1929 г. Дж. Холдейн сформулировали концепцию, согласно которой живое вещество на Земле

возникло в результате химической эволюции неорганического вещества при

наличии соответствующих условий.

Эта концепция основывается на следующих положениях:

1. Отсутствие жизни на Земле до ее возникновения. Считается, что физические, геологические и химические условия, когда возникала жизнь, существенно отличались от условий, когда ее не было, поэтому она не может возникнуть сегодня таким же образом, как это произошло раньше.

2. Единство химической основы живого и неживого.

3. Уникальность физических условий. Определенная масса Земли (1/20 массы

Солнца), расстояние от Солнца и других планет и другие физические параметры,

которые позволяли удержать атмосферу.

4. Наличие в ранней атмосфере химических элементов в восстановительной форме, без существования кислорода в газообразном, химически несвязанном состоянии.

5. Образование воды на Земле, играющей огромную роль в жизни живого.

6. Целая совокупность физических, химических и геологических факторов

поверхности Земли), возможность разрядов в ранней ее атмосфере, отсутствие озонного слоя, препятствующего губительному воздействию ультрафиолетового излучения на живые организмы.

Предположение о том, что первоначальная атмосфера Земли не содержала свободного кислорода, позволило А. Опарину в книге «Происхождение жизни» (1923) сформулировать следующие положения его концепции:

1. Химические и физические условия на Земле привели к образованию в океанах органических соединений, их накоплению в виде «первичного бульона».

Из органической химии того периода было уже известно, что синтез органических веществ лучше проходит в бескислородной, чем кислородной (окислительной) среде, поскольку кислород чрезвычайно активен с другими химическими элементами. Кроме того, из геологических исследований было известно, что, например, металлы в окислительной форме встречаются в молодых породах Земли, а не в древних.

2. В «первичном бульоне»в его одинаковой (гомогенной) массе путем процесса фрагментации образовались капли — коацерванты(лат. coazervatus — накопленный, собранный), обладающие способностью избирательно накапливать различные соединения.

3. Химический состав коацервантов определялся в основном физико- химическими свойствами среды. Различия в химическом составе и величине коацервантов, по мнению А.Опарина, стали основой для действия предбиологического отбора.

4. Взаимодействие коацервантов с внешней для них средой привело к образованию мембранных структур, обеспечивающих стабильность существования комплексов коацервантов.

5. Развитие мембранных структур, регулировавших взаимодействие коацервантов с внешней средой, могло привести, по мнению А. Опарина, к образованию клеток. Главнейшей ступенью предбиологической эволюции живого в концепции

А. Опарина считается объединение способных к самовоспроизведению комплексов нуклеотидов (структуры, составляющие ДНК и РНК) с каталитической активностью белков (полипептидов).

В 1953 г. С. Миллер, молодой американский исследователь, под руководством своего знаменитого соотечественника Нобелевского лауреата Г. Ори выполнил работу, результаты которой глубоко заинтересовали ученых. С. Миллер создал установку, с помощью которой моделировались химический состав предполагаемой первичной атмосферы Земли и ее физические условия, способствовавшие возникновению электрических разрядов в этой атмосфере. Газовая смесь, через которую пропускались электрические разряды, состояла из

паров воды, метана, аммиака и водорода. Изучение состава жидкости, полученной

в результате эксперимента, обнаружило в ней органические мономеры: мочевина,

несколько аминокислот и молочная кислота.

Результаты С. Миллера проверялись другими исследователями, которые использовали такие факторы воздействия на смесь газов в установке С. Миллера, как ударная волна, радиация, ультрафиолетовое излучение и тепловое излучение.

Во всех опытах получались сходные результаты. Из неорганических соединений синтезировались органические соединения. Например, при гамма-излучении обнаружили рибозу и дезоксирибозу.

На современном уровне идеи концепции биохимической эволюции живого с учетом информации о двух факторах эволюционного процесса (естественный отбор и наследственная изменчивость) успешно развиваются симбиотическойтеорией образования эукариотическойклетки и эволюции одноклеточных и многоклеточных эукариотов (современного царства живых организмов). Эта теория учитывает способы питания первых организмов, уровень структурности их генетического материала, способы воспроизводства и другие факторы.

Согласно этой теории свободный кислород в атмосфере Земли появился в результате фотосинтетической деятельности зеленых растений. До этого ультрафиолетовое излучение являлось основным источником энергии для синтеза органических веществ. Далее высказывается предположение, что образованный древний белок (полипептид) обладал повышенной активностью, которая способствовала образованию молекул ДНК. Представители этой концепции полагают, что первые организмы (пробионты)уже имели главные атрибуты жизни: ДНК, РНК, мембранные структуры, деление и некоторые другие. Действительно, все существующие сегодня живые организмы осуществляют обмен веществ или брожением, или фотосинтезом, или дыханием.По отношению к кислороду организмы делятся на анаэробные организмы,гибнущие в кислородной среде и на аэробные организмы,обязательно нуждающиеся в кислороде, и на те промежуточные, которые могут жить в кислородной и бескислородной среде (часть бактерий и грибов). В симбиотической теории много допущений, некоторые из них имеют подтверждение. Кратко об этих допущениях:

1. В восстановительной атмосфере Земли (без свободного кислорода) первые организмы должны были быть анаэробными и гетеротрофами(греч. heteros — разный, trohe — пища) (т. е. питались органическими соединениями из

«первичного бульона» океанов).

2. По мере их размножения органический ресурс океана истощался. Это привело к образованию автотрофных организмов, способных непосредственно использовать световую энергию Солнца и энергию химической связи из неорганических соединений.

3. Жизнедеятельность анаэробов на первичной стадии возникновения живого приводила к возникновению свободного кислорода в атмосфере Земли, что вело к созданию условий возникновения аэробных организмов.

4. Увеличение роста кислорода в атмосфере усложнило жизнь первичных анаэробов-гетеротрофов (появился озонный слой защиты аэробов и т. п.).

5. Некоторые первичные анаэробы вымерли, другие нашли бескислородные ниши для своего существования (например, метанобразующие бактерии существуют и сегодня в горячих источниках), некоторые из них вступили во взаимодействие с аэробами. Это привело к образованию первых клеток эукариотов. Эти утверждения основываются на исследовании строения, функций, структур современных организмов-анаэробов и организмов-аэробов, для которых необходима определенная норма концентрации кислорода в газообразном состоянии. Многие сохранившиеся роды прокариотов состоят исключительно из анаэробных организмов.

6. Вскоре после возникновения простейших организмов сформировались три

надцарства жизни: архебактерии, эубактерии (включая синезеленые водоросли) и

эукариоты (грибы, растения, животные). Для обоснования своих положений симбиотическая теория использует также сравнение геномов современных представителей этих царств и их прародителей.

Во временном масштабе считается, что первые фотосинтезирующие прокариотические бактерии возникли 3,5—3 млрд лет тому назад. 2—1,5 млрд лет назад возникли организмы-эукариоты. У этих организмов механизм обмена веществ эффективнее механизма обмена веществ у организмов-анаэробов в 18 раз. 2 млрд лет назад в атмосфере возник кислород.

Таким образом, согласно этой теории эволюция привела к возникновению анаэробов-прокариотов, затем деятельность анаэробов создала возможность возникновения аэробов-эукариотов,для которых необходима определенная норма свободного кислорода. К сожалению, современный человек делает все, чтобы изменить норму содержания кислорода в атмосфере (сжигает, загрязняет и вырубает «легкие» Земли), и тем самым способствует возникновению исторически первой среды обитания для анаэробных бактерий. В современных условиях они усилят борьбу с ныне существующими живыми организмами, которым нужен свободный кислород. В последнем случае речь идет о возможных массовых эпидемиях. Антропогенный фактор современного человека ведет к деградации современной окружающей среды.

В конце прошлого века было сделано интересное открытие на дне рифтовых впадин океанов — «черных курильщиков». Это образования, напоминающие вулканы с кратером, возвышающиеся на десятки метров над океаническим дном. Они состоят из готовой руды. Черный дым, исходящий из них, является нагретой

до 350° С взвесью из железа, марганца, меди и серы. На поверхности «черных курильщиков» обнаружены живые организмы, живущие при температуре до

+400° С. Они создают из неорганических веществ собственные органические соединения и способны синтезировать так же неорганические соединения в виде конечных продуктов своей жизнедеятельности, например золото. Эти существа напоминают кольчатых червей, достигающих 1 м в длину. Этот факт используется для доказательства правильности теории симбиоза и концепции

«2К».

Г. Креационизм.Креационизм (лат. cratio — сотворение) — это концепция,

представители которой считают, что жизнь возникла в результате деятельности некоего сверхъестественного события в прошлом. Например, в христианстве таким событием является Бог, создавший все, что мы называем Вселенной. В 1650

г. ирландский архиепископ Ашер из города Арма вычислил дату, когда Бог сотворил мир: 23 октября в 9 часов утра 4004 г. до нашей эры. Эту дату Ашер получил путем сложения возрастов всех людей, упоминающихся в Библии от Адама до Христа (библейская генеалогия). Археологические раскопки показывают, что уже до этой даты существовали высокоразвитые цивилизации. Среди креационистов в духе христианства бытует общее мнение о том, что Божественное творение мира было единожды, без всяких дополнений и коррекции, и в этом творении человек занимает исключительное место: «мир природы, твари созданы для владения им человеком, ходящим под Богом».

Кроме того, сам акт и процесс Божественного творения, как утверждают креационисты, недоступен рациональному научному объяснению, о чем свидетельствуют, по мнению креационистов, результаты самой науки. Аргументация современных представителей креационизма выглядит следующим образом:

1. В разумном устройстве мира ученые могут убедиться на основе экспериментов и наблюдений.

2. Естественный отбор — это ярлык общеизвестного факта, что одни существа жизнеспособнее других.

3. Естественный отбор — это механизм рекомбинации генов в пределах одного

вида.

4. Генетический код видов, созданных Богом, является совершенным.

5. Мутации генов являются вредными и губительными для организма (некоторые креационисты считают, что случайные мутации могут быть и полезными для организмов).

6. Повеление Бога «плодитесь и размножайтесь» часто трактуется как реализация огромного генетического разнообразия, заложенного Богом в геномы организмов, в том числе и одного вида.

Вопросы для самоконтроля знаний.

1. Определите особенности биологии как науки естественного цикла.

2. Выявите этапы развития биологии. Кратко охарактеризуйте каждый из них.

3. Выделите общие тенденции развития биологического знания?

4. Какие критерии могут быть взяты за основу для определения общих направлений в биологии?

5. Какая из теорий возникновения жизни на Земле кажется Вам наиболее обоснованной?

6. Какое место занимает современная теория биологической эволюции в естествознании?

7. Какой критерий положен в основу выделения уровней организации живого.

Какую роль играют биологические связи для развития живого?

8. Когда, кем и при каких условиях было введено понятие «царство живых организмов»?

9. Каковы приоритетные направления современных биологических исследований?