Происхождение жизни

Теория панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время в разных частях Галактики  или Вселенной. Для обоснования этой теории используются  многократные  появления НЛО, наскальные изображения предметов, похожих на ракеты и «космонавтов», а также сообщения о якобы встречах с инопланетянами. Советские и американские исследования в космосе позволяют считать, что вероятность обнаружения жизни в пределах Солнечной системы ничтожна, однако они не дают никаких сведений о возможной жизни вне этой системы. При изучении материалов метеоритов и комет в них были обнаружены многие «предшественники живого» - такие вещества, как цианогены, синильная кислота и органические соединения, возможно сыгравшие роль «семян», падавших на голую Землю. Появился ряд сообщений о нахождении в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни, однако доводы в пользу их биологической природы пока не кажутся ученым убедительными.

Концепция панспермии не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а выдвигает идею о ее внеземном происхождении. Поэтому ее нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой; она просто переносит проблему в какое-то другое место Вселенной. Ее разделяли такие ученые, как Г. Гельмгольц, У. Томсон, что способствовало ее широкому распространению среди ученых. Но она не получила научного доказательства, так как примитивные организмы или зародыши должны были погибнуть под действием ультрафиолетовых и космических лучей¹⁰.

1.5. Биохимическая эволюция

Основоположниками этой гипотезы считаются наш отечественный ученый А. И. Опарин и английский естествоиспытатель Дж. Холдейн. А. И. Опарин в 1923 г. высказал мнение, что органические вещества — основа жизни — могли возникнуть из более простых соединений в океане под воздействием ультрафиолетовой составляющей солнечной радиации, беспрепятственно проникавшей на Землю, поскольку задерживавшего ее озонового слоя в первичной атмосфере еще не было. Не было и кислорода. Его отсутствие облегчало синтез органических соединений, которые лучше образуются в бескислородной среде. Сходные идеи в 1929 г. высказывал и Дж. Холдейн. Он полагал, что в океане, над которым находилась богатая двуокисью кислорода первичная атмосфера, могли возникнуть огромные органические молекулы, обладавшие признаками жизни. Согласно Опарину, органические вещества, накапливаясь в океане, образовали «первичный бульон», в котором плавали скоагулированные в комочки студнеобразные сгустки — коацерваты (от лат. coacervus — сгусток). Эти коацерваты получили способность увеличиваться в размерах, делиться на части и подвергаться химическим изменениям на границе раздела с окружающей средой, т.е. приобрели признаки роста, размножения и обмена веществ — метаболизма¹¹.

В 1924 г. вышла книга «Происхождение жизни» советского ученого А. И. Опарина, где он теоретически и 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, нуклеотидов и их полимеров, которые по мере увеличения концентрации органических веществ в первичном бульоне гидросферы способствовали образованию коллоидных систем, 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 время¹².

Опарин полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежала белкам. Благодаря амфотерности белков они способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов – притягивают к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от водной фазы, в которой они суспендированы, и образовывать своего рода эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом приводит к отделению коллоидов от среды – процесс, называемый коацервацией. Богатые коллоидами коацерваты, возможно, были способны обмениваться с окружающей средой веществами и избирательно накапливать различные соединения, особенно кристаллоиды. Коллоидный состав данного коацервата, очевидно, зависел от состава среды. Разнообразие состава «бульона» в разных местах вело к различиям в составе коацерватов и поставляло таким образом сырье для «биохимического естественного отбора».

В 1953 г. Стэнли Миллер (США) предпринял попытку экспериментальной проверки гипотезы Опарина–Холдейна. В созданной им установке он смоделировал условия, предположительно существовавшие на ранней Земле. Над кипящей водой находился резервуар, содержащий кроме водяных паров метан, аммиак и водород под высоким давлением. Смесь газов в течение недели подвергали воздействию электрических разрядов высокого напряжения, после чего в «ловушке» было обнаружено 15 аминокислот, в том числе глицин, аланин и аспаргиновая кислота. Позднее в подобных экспериментах были синтезированы простые нуклеиновые кислоты. Осталось только объяснить появление механизма самовоспроизведения живых организмов.

Как стало известно после  опытов Уотсона и Крика (1953), генетическая информация записывается в виде последовательности нуклеотидов в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Пока неясно, что появилось раньше: аминокислотные цепочки (белки) или план их синтеза (ДНК), или же, возникнув независимо друг от друга, они случайно оказались идеально приспособленными к совместному процессу — сохранению и передаче наследственной информации. Как бы то ни было, из рассмотренных гипотез именно последняя представляется в настоящее время наиболее правдоподобно объясняющей возникновение жизни на Земле¹³.

1.6. 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 условно разделить:

1. Концепция субстратного происхождения жизни (ее придерживаются биохимики во главе с А. Опариным).
2. Концепция энергетического происхождения (И. Пригожин, А. Волькенштейн).
3. Концепция информационного происхождения (ее развивали А. Н. Колмогоров, А. А. Ляпунов, Д. С. Черневский м др.).

Из конкретных концепций, получивших сегодня признание, кроме гипотезы Опарина о путях эволюции обмена веществ можно выделить концепцию  о передаче наследственной информации английского ученого Д. Холдейна (1892-1964), имевшего труды по генетике, биохимии, применению математических методов в биологии.

Все концепции ставят целью определить тот низший порог, с которого начинает действовать естественный отбор на биологическом уровне, а значит, начинают функционировать биологические законы. Однако ниже этой границы действуют другие законы – закономерности эволюционной химии, т. Е. совсем иная форма естественного отбора.

В 1969 г. А. П. Руденко предложил химический аспект происхождения жизни. Используя положение Ч. Дарвина о естественном отборе и принцип усложнения и прогрессивной направленности эволюции, он заложил теоретическую базу эволюционной химии.

Современные биологи доказывают, что  универсальной формулы жизни (т.е. такой, которая исчерпывающе отображала бы ее сущность) нет и не может быть. Такое понимание предполагает исторический подход к биологическому познанию как постижению сущности жизни, в ходе чего менялись и сами концепции происхождения жизни и представления о тех формах, в которых такое познание возможно¹⁴.

Глава 2. Предпосылки возникновения жизни

Большинство современных специалистов убеждены, что возникновение жизни  в условиях первичной Земли есть естественный результат эволюции материи. Это убеждение основано на доказанном единстве химической основы жизни, построенной из нескольких простых и самых распространенных во Вселенной атомов.

Исключительное  морфологическое разнообразие жизни (микроорганизмы, растения, животные) осуществляется на достаточно единообразной биохимической основе: нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, жиры и несколько более редких соединений типа фосфатов.

Основные химические элементы, из которых построена жизнь, - это  углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. Очевидно, организмы используют для своего строения простейшие и наиболее распространенные во Вселенной элементы, что обусловлено самой природой этих элементов. Например, атомы водорода, углерода, "кислорода и азота имеют небольшие размеры и способны образовывать устойчивые соединения с двух- и трехкратными связями, что повышает их реакционную способность. Образование сложных полимеров, без которых возникновение и развитие жизни вообще невозможны, связано со специфическими.

Другие  два биогенных элемента - сера и фосфор - присутствуют в относительно малых количествах, но их роль для жизни особенно важна. Химические свойства этих элементов также дают возможность образования кратных химических связей. Сера входит в состав белков, а фосфор - составная часть нуклеиновых кислот.

Кроме этих шести основных химических элементов  в построении организмов в малых  количествах участвуют натрий, калий, магний, кальций, хлор, а также микроэлементы: железо, марганец, кобальт, медь, цинк и  небольшие следы алюминия, бора, ванадия, йода и молибдена; следует отметить и некоторые исключительно редкие атомы, которые встречаются случайно и в ничтожных количествах.

Следовательно, химическая основа жизни разнообразится еще 15 химическими элементами, которые  вместе с шестью основными биогенными элементами участвуют в различных соотношениях в строении и осуществлении функций живых организмов. Этот факт особенно показателен в двух отношениях: 1) как доказательство единства происхождения жизни и 2) в том, что сама жизнь, являющаяся результатом самоорганизации материи, включила в эволюцию биологических макромолекул не только все самые распространенные элементы, но и все атомы, которые особенно пригодны для осуществления жизненных функций (например, фосфор, железо, йод и др.). Как отмечает советский ученый М. Камшилов, "для осуществления функций жизни важны химические свойства ее атомов, к которым, в частности, относятся квантовые особенности". Не только структура, обмен веществ, но даже и механические действия живых организмов зависят от составляющих их молекул. Это, однако, не означает, что жизнь может быть сведена просто к химическим закономерностям.

Жизнь - одно из сложнейших, если не самое  сложное явление природы. Для  нее особенно характерны обмен веществ  и воспроизведение, а особенности  более высоких уровней ее организации обусловлены строением более низких уровней.

Современная теория происхождения  жизни основана на идее о том, что  биологические молекулы могли возникнуть в далеком геологическом прошлом  неорганическим путем. Сложную химическую эволюцию обычно выражают следующей обобщенной схемой: атомы ? простые соединения ? простые биоорганические соединения ? макромолекулы ? организованные системы. Начало этой эволюции положено нуклеосинтезом в Солнечной системе, когда образовались основные элементы, в том числе и биогенные. Начальное состояние -нуклеосинтез -быстро переходит в процесс образования химических соединений. Этот процесс протекает в условиях первичной Земли со все нарастающей сложностью, обусловленной общекосмическими и конкретными планетарными предпосылками.

Первое  необходимое условие имеет общекосмический  характер. Оно связано с единой химической основой Вселенной. Жизнь  развивается на этой единой основе, отражающей как количественные, так  и качественные особенности отдельных  химических элементов. Это допущение приводит к заключению, что на любой планете во Вселенной, которая похожа на нашу по массе и расположению относительно центральной звезды, может возникнуть жизнь. Согласно представлениям видного американского астронома X. Шепли, во Вселенной имеется 108 космических тел (планет или звезд-лилипутов), на которых может возникнуть и существовать жизнь.

Главное условие  возникновения жизни имеет планетарную  причину и определяется массой планеты. Такое утверждение, быть может, имеет  несколько геоцентрический и антропоцентрический характер, но жизнь, подобная земной, могла возникнуть и развиться на планете, масса которой имеет строго определенную величину. Если масса планеты больше чем 1/20 массы Солнца, на ней начинаются интенсивные ядерные реакции, что повышает ее температуру и она светится, как звезда. Таковы планеты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Планеты с малой массой (Меркурий) имеют слабое гравитационное поле и не могут продолжительное время удерживать атмосферу, которая необходима для развития жизни. Здесь интересно отметить, что по ряду подсчетов Земля приобрела 80% своей массы в первые 100 млн. лет своего существования.

Из планет Солнечной системы кроме Земли  подходящую массу имеют Венера и  Марс, но там отсутствуют другие условия. По мнению советского астрофизика В. Г. Фесенкова, во Вселенной 1% планет имеет подходящую массу.

Особенно  важной предпосылкой возникновения  и развития жизни является относительно постоянная и оптимальная радиация, получаемая планетой от центральной  звезды. Обычно оптимальную радиацию получают планеты имеющие орбиту, близкую к круговой, и подвергающиеся поэтому относительно постоянному облучению.

Обязательным  условием возникновения жизни является наличие воды. Парадоксально, что, хотя вода - чуть ли не самая распространенная молекула во Вселенной, поразительно мало планет имеют гидросферу: в нашей Солнечной системе только Земля имеет гидросферу, а на Марсе имеется лишь незначительное количество воды.

Значение  воды для жизни исключительно. Это  обусловлено ее специфическими термическими особенностями: огромной теплоемкостью, слабой теплопроводностью, расширением при замерзании, хорошими свойствами как растворителя и др. Эти особенности обусловливают круговорот воды в природе, который играет исключительную роль в геологической истории Земли.

За последние 20 лет были получены интересные сведения о наличии органических соединений во Вселенной. Источники  этих сведений естественные посланцы космоса на Землю, метеориты.

Все ранее  рождавшиеся теории идеалистов, сторонников  религиозных течений и даже материалистов были несостоятельными и до конца необоснованными из-за нехватки знаний тогдашних ученых.

И только с наступлением капитализма, который отличался прогрессом в науке и технике, когда был накоплен большой научный потенциал, стали зарождаться научно обоснованные теории о происхождении жизни на земле.

Глава 3. Этапы возникновения жизни

1. Образование простых органических соединений.