Происхождение жизни на земле

Возникновение жизни  на Земле Проблема происхождения  жизни приобрела сейчас неодолимое очарование для всего человечества. Она не только привлекает к себе пристальное внимание ученых разных стран и специальностей, но интересует вообще всех людей мира. Сейчас считается  общепризнанным, что возникновение  жизни на Земле представляло собой  закономерный процесс, вполне поддающийся  научному исследованию. В основе этого  процесса лежала эволюция соединений углерода которая происходила во Вселенной задолго до возникновения нашей Солнечной системы и лишь продолжалась во время образования планеты Земля – при формировании ее коры, гидросферы и атмосферы. 

С момента возникновения  жизни природа находится в  непрерывном развитии. Процесс эволюции длится уже сотни миллионов лет, и его результатом является то разнообразие форм живого, которое  во многом до конца еще не описано  и не классифицировано.  

Вопрос о происхождении  жизни труден в исследовании, потому, что, когда наука подходит к проблемам  развития как создания качественно  нового, она оказывается у предела  своих возможностей как отрасли  культуры, основанной на доказательстве и экспериментальной проверке утверждений.  

Ученые сегодня  не в состоянии воспроизвести  процесс возникновения жизни  с такой же точностью, как это  было несколько миллиардов лет назад. Даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь модельным экспериментом, лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на Земле. Трудность  — в невозможности проведения прямого эксперимента по возникновению  жизни (уникальность этого процесса препятствует использование основного  научного метода).  

Вопрос происхождении жизни интересен не только сам по себе, но и тесной связью с проблемой отличия живого от неживого, а также связью с проблемой эволюции жизни.  

Глава 1. Что такое  жизнь? Отличие живого от неживого.  

Для понимания закономерностей  эволюции органического мира на Земле  необходимо иметь общее представления  об эволюции и основных свойствах  живого. Для этого необходимо охарактеризовать живые существа с точки зрения их некоторых особенностей и выделить основные уровни организации жизни.  

Когда-то считалось, что живое можно отличить от неживого по таким свойствам, как обмен веществ, подвижность, раздражимость, рост, размножение, приспособляемость. Но анализ показал, что порознь все эти свойства встречаются и среди неживой природы, и поэтому не могут рассматриваться как специфические свойства живого. В одной из последних и наиболее удачных попыток живое характеризуется следующими особенностями, сформулированными Б. М. Медниковым в виде аксиом теоретической биологии:  

Все живые организмы  оказываются единством фенотипа и программы для его построения (генотипа), передающейся по наследству из поколения в поколение (аксиома  А. Вейсмана).  

Генетическая программа  образуется матричным путем. В качестве матрицы, на которой строится ген  будущего поколения, используется ген  предшествующего поколения (аксиома  Н. К. Кольцова).  

В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате различных  причин изменяются случайно и не направленно, и лишь случайно такие изменения  могут оказаться удачными в данной среде (1-ая аксиома Ч. Дарвина) .  

Случайные изменения  генетических программ при становлении  фенотипа многократно усиливаются (аксиома Н. В. Тимофеева-Ресовского).  

Многократно усиленные  изменения генетических программ подвергаются отбору условиями внешней среды (2-ая аксиома Ч. Дарвина).  

«Дискретность и  целостность – два фундаментальных  свойства организации жизни на Земле. Живые объекты в природе относительно обособлены друг от друга (особи, популяции, виды). Любая особь многоклеточного  животного состоит из клеток, а  любая клетка и одноклеточные  существа – из определенных органелл. Органеллы состоят из дискретных высокомолекулярных органических веществ, которые в свою очередь состоят  из дискретных атомов и элементарных частиц. В то же время сложная  организация немыслима без взаимодействия ее частей и структур – без целостности».  

Целостность биологических  систем качественно отличается от целостности  неживого, и прежде всего тем, что  целостность живого поддерживается в процессе развития. Живые системы  – открытые системы, они постоянно  обмениваются веществами и энергией со средой. Для них характерна отрицательная  энтропия (увеличение упорядоченности), увеличивающаяся, видимо, в процессе органической эволюции. Вероятно, что  в живом проявляется способность  к самоорганизации материи.  

«Среди живых систем нет двух одинаковых особей, популяция  и видов. Эта уникальность проявления дискретности и целостности живого основана на замечательном явлении  ковариантной редупликации.  

Ковариантная редупликация (самовоспроизведение с изменениями), осуществляемая на основе матричного принципа (сумма трех первых аксиом), — это, видимо, единственное специфическое  для жизни (в известной нам  форме ее существования на Земле) свойство. В основе его лежит уникальная способность к самовоспроизведению  основных управляющих систем (ДНК, хромосом и генов)».  

«Жизнь – одна из форм существования материи, закономерно  возникающая при определенных условиях в процессе ее развития».  

Итак, что такое  живое и чем оно отличается от неживого. Наиболее точное определение жизни дал около 100 лет назад Ф. Энгельс: «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел». Термин «белок» тогда ещё не был определён вполне точно и его относили обычно к протоплазме в целом. Сознавая неполноту своего определения, Энгельс писал: «Наша дефиниция жизни, разумеется, весьма недостаточна, поскольку она далека от того, чтобы охватить все явления жизни, а, напротив, ограничивается самыми общими и самыми простыми среди них… Чтобы получить действительно исчерпывающее представление о жизни, нам пришлось бы проследить все формы её проявления, от самой низшей до наивысшей».  

Кроме того, есть несколько  фундаментальных отличий живого от неживого в вещественном, структурном и функциональном планах. В вещественном плане в состав живого обязательно входят высокоупорядоченные макромолекулярные органические соединения, называемые биополимерами, — белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В структурном плане живое отличается от неживого клеточным строением. В функциональном плане для живых тел характерно воспроизводство самих себя. Устойчивость и воспроизведение есть и в неживых системах. Но в живых телах имеет место процесс самовоспроизведения. Не что-то воспроизводит их, а они сами. Это принципиально новый момент.  

Также живые тела отличаются от неживых наличием обмена веществ, способностью к росту и  развитию, активной регуляцией своего состава и функций, способностью к движению, раздражимостью, приспособленностью к среде и т. д. Неотъемлемым свойством  живого является деятельность, активность. «Все живые существа должны или действовать, или погибнуть. Мышь должна находиться в постоянном движении, птица летать, рыба плавать и даже растение должно расти».  

Жизнь возможна лишь при определённых физических и химических условиях (температура, присутствие  воды, ряда солей и т. д.). Однако прекращение  жизненных процессов, например при высушивании семян или глубоком замораживании мелких организмов, не ведёт к потере жизнеспособности. Если сохраняется неповрежденной структура, она при возвращении к нормальным условиям обеспечивает восстановление жизненных процессов.  

Однако строго научное  разграничение живого и неживого встречает определенные трудности. Так, например, вирусы вне клеток другого  организма не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть наследственный аппарат, но отсутствуют основные необходимые  для обмена веществ ферменты, и  поэтому они могут расти и  размножаться, лишь проникая в клетки организма-хозяина и используя  его ферментные системы. В зависимости  от того, какой признак мы считаем  важным, мы относим вирусы к живым  системам или нет.  

Итак, суммируя все  выше сказанное, дадим определение жизни:  

«Жизнь – процесс  существования биологических систем (например, клетка, организм растения, животного), основу которых составляет сложные органические вещества и  способные самовоспроизводиться, поддерживать свое существование в результате обмена энергией, веществом и информацией  со средой.»  
 
 

Глава 2. Концепции  происхождения жизни.  

а) Идея самопроизвольного  происхождения.  

Вначале в науке  вообще не существовало проблемы возникновения  жизни, потому что учеными античного  мира допускалась возможность постоянного  зарождения живого из неживого. Великий Аристотель (4-ый в. до Р. Х.) не сомневался в самозарождении лягушек. Философ Плотин в 3-ем веке до новой эры утверждал, что живые существа самозарождаются в земле в процессе гниения. Эта идея самопроизвольного зарождения организмов, видимо, представлялась многим поколениям наших далеких предков очень убедительной, так как просуществовала, не меняясь, долгие века, вплоть до 17-го века .  

б) Идея происхождения  жизни по принципу «живое – от живого».  

В 17-ом веке опыты  тосканского врача Франческо Реди показали, что без мух черви в гниющем мясе не обнаружатся, а если прокипятить органические растворы, то микроорганизмы в них вообще зарождаться не смогут. И только в 60-х гг. 19-го века французский ученый Луи Пастер в своих опытах продемонстрировал, что микроорганизмы появляются в органических растворах только потому, что туда раньше был занесен зародыш.  

Таким образом, опыты  Пастера имели двоякое значение –  

Доказали несостоятельность  концепции самопроизвольного зарождения жизни.  

Обосновали идею о том, что все современное  живое происходит только от живого.  

в) Идея космического происхождения жизни.  

Примерно в тот  же период, когда Пастер продемонстрировал  свои опыты, немецкий ученый Г. Рихтер разработал теорию занесения живых  существ на Землю из космоса. Он утверждал, что зародыши могли попасть на Землю вместе с космической пылью  и метеоритами и положить начало эволюции живого, которая породила все многообразие земной жизни. Эта  концепция называлась концепцией панспермии. Ее разделяли такие ученые, как  Г. Гельмгольц, У. Томпсон, что способствовало ее широкому распространению в научных  кругах. Но она не получила научного доказательства, так как примитивные  организмы или зародыши должны были бы погибнуть под действием ультрафиолетовых лучей и космического излучения.  

г) Гипотеза А. И. Опарина.  

В 1924 году вышла в  свет книга «Происхождение жизни» советского ученого А. И. Опарина, где он экспериментально доказал, что органические вещества могут образовываться абиогенным путем  при действии электрических зарядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей  на газовые смеси, содержащие пары воды, аммиака, метана и др. Под влиянием различных факторов природы эволюция углеводородов привела к образованию  аминокислот, нуклеидов и их полимеров, которые по мере увеличения концентрации органических веществ в первичном бульоне гидросферы способствовали образованию коллоидных систем, так называемых коацерватов, которые, выделяясь из окружающей среды и имея неодинаковую внутреннюю структуру, по-разному реагировали на внешнюю среду. Превращению углеродистых соединений в химический период эволюции способствовала атмосфера с ее восстановительными свойствами, которая потом стала приобретать окислительные свойства, что свойственно атмосфере и в настоящее время .  

Гипотеза Опарина  способствовала конкретному изучению происхождения простейших форм жизни. Она положила начало физико-химическому  моделированию процессов образования  молекул аминокислот, нуклеиновых  оснований, углеводородов в условиях предполагаемой первичной атмосферы  Земли.  

д) Современные концепции происхождения жизни.  

Сегодня проблема происхождения  жизни исследуется широким фронтом  различных наук. В зависимости  от того, какое наиболее фундаментальное  свойство живого исследуется и преобладает  в данном изучении (вещество, информация, энергия), все современные концепции  происхождения жизни можно разделить  условно на:  

Концепцию субстратного происхождения жизни (ее придерживаются биохимики во главе с А. И. Опариным).  

Концепцию энергетического  происхождения. Она разрабатывается  ведущими учеными-синергетиками И. Пригожиным, М. Эйгеном.  

Концепцию информационного  происхождения. Ее развивали А. Н. Колмогоров, А. А. Ляпунов, Д. С. Чернавский.  

Концепция генного  происхождения.  

Автором этой концепции  является американский генетик Г. Меллер. Он допускает, что живая молекула, способная размножаться, могла возникнуть вдруг, случайно в результате взаимодействия простейших веществ. Он считает, что элементарная единица наследственности – ген – является и основой жизни. И жизнь в форме гена, по его мнению, возникла путем случайного сочетания атомных группировок и молекул, существовавших в водах первичного океана. Но математические расчеты этой концепции показывают полную невероятность такого события.