Процессы на ранней Земле и возникновение живого

Современные представления о происхождении жизни восходят к гипотезам Опарина и Холдейна. Согласно оценке К.X. Уоддингтона, «в конце 20-30-х годов были заложены основы точки зрения, согласно которой жизнь рассматривается как явление, естественным образом возникающее из неживой природы. Весьма вероятно, что будущие исследователи истории идей отметят то обстоятельство, что эта точка зрения на проблему происхождения жизни, представляющая собой ни больше, ни меньше как революцию в философском понимании человеком своего собственного места в мире, впервые была разработана коммунистами. Опарин в Москве (1924) и Холдейн в Кембридже (1929) независимо друг от друга утверждали, что последние достижения геохимии… позволяют представить процесс происхождения систем, которые могут быть названы «живыми».

Тогда же в работе Опарина обращалось внимание на то, что организмы состоят из органических соединений, обладающих более сложной структурой, чем те продукты, которые они производят. Поэтому логичнее считать, что некоторые органические соединения по времени предшествовали живым организмам и сыграли важную роль в их происхождении.

В 1956 г. Опарин выпустил небольшую книгу в соавторстве с Фесенковым, в которой они придерживаются идеи Шмидта о том, что Солнце захватило часть пылевого облака во Вселенной, поскольку эта гипотеза оказалась более подходящей для понимания развития солнечной системы. Но общей идеей для всех вариантов теории оставалось необходимое условие возникновения жизни - ее первоначальное отсутствие, причем и сами законы природы претерпевали изменение. С возникновением жизни законы неживой природы сменились биологическими, а с появлением человека возникли законы социальные.

Момент перехода от неживого к живому является решающим с методологической, или философской, точки зрения. У Опарина жизнь возникает на уровне многомерных структур - коагулянты, гели и коацерваты - в «момент выпадения геля или образования первородного студня», и «с некоторыми оговорками мы даже можем считать этот впервые возникший на Земле кусочек органической слизи первичным организмом. В самом деле, он должен был обладать многими из тех свойств, которые в настоящее время рассматриваются как признаки жизни». В работе 1936 г. Опарин дает более полное описание коллоидной фазы возникновения жизни и развития способности к фотосинтезу у предков растительных организмов. Коацерваты уже могут увеличиваться в размерах, делиться на части I и подвергаться химическим изменениям ввиду явлений на границе возможного расслоения. Эти явления на границе раздела у него носят зачатки метаболизма, а переход к живому происходит тогда, когда на смену «соревнованию в скорости роста приходит борьба за существование».

Возникновение и обострение этой борьбы есть результат нехватки запасов «предбиологического» органического материала, которым «питаются» коацерваты. Эта нехватка приводит к существованию различных путей получения пищи, организмы разделяются на автотрофные и гетеротрофные еще до перехода к биологическому уровню развития. При иссякании запасов органического материала вне коацерватов вступали в действие «естественный отбор» и другие биологические факторы, происходил переход к организмам.

Опарин с 1924 г. разрабатывал свою гипотезу происхождения жизни, и многие следовали в этом русле, привлекая все новые и новейшие данные. Эволюционное возникновение живого в результате взаимодействия простейших органических соединений при постепенном усложнении находит все больше сторонников. Этим процессам благоприятствовали высокое содержание простых органических соединений в поверхностных водах еще молодой Земли, наличие разнообразных условий, постоянный приток энергии от Солнца, в том числе и жесткого ультрафиолета.

Возник круговорот веществ, который привел к круговороту и органических веществ, т.е. из взаимных превращений абиотических веществ образовались процессы синтеза и распада органики, стали сохраняться более устойчивые соединения и распадаться малоустойчивые. Если бы шли только процессы синтеза, то структуры усложнялись, но никакого обмена веществ не получилось бы, т.е. получилась бы не жизнь, а кристаллизация. Бернал в 1969 г. подчеркивал это, т.к. если жизнь начала развиваться как единство процессов синтеза и деструкции органического вещества, то вряд ли на первых этапах она связана была с простейшими организмами. Стало быть, жизнь появилась раньше живых организмов.

В 50-е годы начала бурно развиваться биохимия. Возникновение молекулярной биологии привело к союзу биохимии и генетики, кульминацией которого явилось появление гипотезы Уотсона-Крика (1953), объяснявшая, каким образом генетическая информация может быть записана в молекулах ДНК. Самое важное - все организмы обладают одним и тем же генетическим кодом.

Если рассматривать на молекулярном уровне природу жизни, то она проще анализируется в наипростейших системах - вирусах. Вирусы состоят из нуклеиновых кислот (ДНК или РНК), заключенных в белковую оболочку, так не является ли молекула ДНК первой живой формой? Обсуждение этой проблемы происходило в очень острой форме: ведь «план построения» молекулы ДНК не может быть признан случайным, а огромное количество информации не возникает внезапно. Опарин усматривал сходство взглядов на ген и на молекулу ДНК. Для него жизнь - это процесс, поток, обмен веществ в материи, и потому не может быть отождествлен с какой-то застывшей формой.

В своей книге «Жизнь, ее природа, происхождение и развитие» (1960) Опарин приводит хорошо известный факт, что внутренняя организация паразитов становится проще по мере того, как они становятся «зависимыми от своих хозяев» и адаптируются к этой экологической нише. Все вирусы являются паразитами, поэтому, хотя закодированные нуклеиновые кислоты вирусов - продукт эволюции более высокоорганизованных организмов, сами по себе вирусы есть конечный результат паразитического вырождения, утратившими все, кроме генетического материала. Они способны к самовоспроизведению при использовании метаболических процессов более высокоорганизованных организмов, и они не смогли бы появиться, если бы до них не имела место эволюция организмов, обладающая способностью к метаболизму.

Теория Опарина включает разработку эволюции процессов обмена веществ. Он считал, что механизм запасения солнечной энергии с помощью хлорофилла достаточно сложен и не мог возникнуть быстро, как и процесс окисления некоторых неорганических соединений, например, серы или железа, используемый некоторыми микроорганизмами для биосинтеза.

В 1951 г. американский ученый Г. Блюм обратил внимание на то, что на ранних этапах эволюции жизни и фотосинтез должен быть иным, отличным от современного. Другой ученый, Г. Гаффон, делил эволюцию энергетики организмов на пять этапов, связанных с последовательной эволюцией внешних условий, в частности, изменением состава солнечного излучения, достигающего земной поверхности (1962). Примитивный фотосинтез использовал ультрафиолетовое излучение, а по мере образования озонового слоя живое постепенно приспосабливалось к фотонам меньшей энергии, но в большем количестве.

В 1931 г. появилась концепция Вернадского. Он писал о геохимических функциях биосферы: «…среди миллионов видов нет ни одного, который бы мог исполнить один все геохимические функции жизни, существующие в биосфере изначально. Следовательно, изначальный морфологический состав живой природы в биосфере должен быть сложным. И первое появление жизни при создании биосферы должно было произойти не в виде появления одного какого-то организма, а в виде их совокупности, отвечающей геохимическим требованиям жизни». Вернадский связывал возникновение жизни с гигантской катастрофой, которая прервала безжизненную эволюцию земной коры и внесла в нее столько противоречий, что они смогли породить жизнь. Он считал, что наука способна определить условия, при которых зарождение жизни окажется единственно возможным. Когда-то в прошлом при наличии физико-химических условий, не учитывающихся в настоящее время, был нарушен принцип Реди («все живое - из живого»). Этот принцип, установленный в XVII в., не должен выполняться абсолютно, он только указывает, что самопроизвольного возникновения жизни нет сейчас и не было в то время, когда жизнь уже существовала, раз возникнув. В биосфере, по Вернадскому, есть косное вещество (минералы), которое остается постоянным, и живое, меняющееся в процессе эволюции.

За последние десятилетия были открыты явления, которые позволяют связать воедино фрагментальные идеи и подтвердить высказываемые предположительно некоторые положения работ Вернадского. Во-первых, был открыт генетический код, единый для всего живого. Этот четырехбуквенный алфавит выглядит как следствие процесса естественного отбора, отразившего «наиболее приспособленную к земным условиям форму передачи наследственной памяти, наследственной информации, которая кодируется нуклеиновыми кислотами», как выразился академик Моисеев. Это единство генетического кода трудно объяснить, отрицая, что жизнь зародилась на Земле и является естественным продуктом ее эволюции. Вернадский не мог утверждать это уверенно, поэтому использовал это положение, как не противоречащее опытным данным. Во-вторых, недавно были обнаружены следы жизни на Земле, которые просуществовали 3,6 млрд лет в глубокой пещере на дне океана. Это значит, что почти одновременно (по космическим масштабам времени) с возникновением нашей планеты на ней появилась жизнь.

Согласно нескольким гипотезам о предбиологических системах, решающая роль при превращении неживого в живое принадлежит белкам. Коацерватная гипотеза Опарина, относящаяся к этой стадии жизни, достаточно разработана. Из-за амфотерности молекул белка они способны образовывать коллоидные гидрофильные комплексы, т.е. притягивать к себе молекулы воды, которые создают вокруг них оболочку типа эмульсии. При слиянии таких комплексов друг с другом образуются коацерваты (лат. coaceiyatus «накопленный, собранный»), отделяющие коллоиды от остальной водной среды. В разных местах этот «первичный бульон» отличался, и образовывались различные коацерваты, являющиеся сырьем для «биохимического естественного отбора». В самих коацерватах происходили дальнейшие химические реакции, при поглощении ими ионов металлов, образовывались ферменты. Вдоль границ выстраивались сложные углеводороды, напоминающие мембраны клетки, которые обеспечивали некоторую стабильность.

Судьба коацерватной капли определялась тем, какой процесс в ней оказывался преобладающим - роста или распада. Поскольку среда, в которой они образовывались, мало отличалась по своему составу, то сохранение устойчивости не испытывало затруднений. Отличающееся от среды распадалось, а то, что не особенно отличалось от среды, сохранялось и росло. Так происходил отбор капель, наиболее устойчивых в данных условиях. Миллионы лет шел отбор коацерватных капель, бесчисленное их число растворилось в мировом океане, и лишь малая часть сохранилась.

Достигнув определенных размеров, одна капля могла распасться на дочерние, и те из них, которые соответствовали по структуре материнской, росли дальше, а резко отличные - распадались. В процессе длительного отбора сохранялись только те капли, которые не теряли своей структуры, т.е. приобрели свойство самовоспроизведения. При попадании в коацерват способной к воспроизведению молекулы и внутренней перестройки липидной оболочки могла образоваться и простейшая клетка. Процесс мог развиваться и привести к образованию простейшего организма, питающегося органическими веществами из первичного бульона. Появление самовоспроизведения закрыло этап предыстории развития жизни. Коацерватная капля стала живым организмом, открылась возможность прогрессивной эволюции.

В своей знаменитой работе «Самоорганизация материи в ходе химической эволюции» (1971) Эйген распространил на процессы, которые должны были происходить при эволюционном скачке, принцип дарвиновского отбора и ввел понятие конкуренции гиперциклов или циклов химических реакций, которые приводят к образованию белковых молекул. Те циклы, которые работают быстрее и эффективнее, чем остальные, и «побеждают» в конкурентной борьбе. Что понимает Эйген под конкуренцией, за что осуществляется борьба? Пищей служат молекулы мономеров, которые хотят поглотить, присоединить к себе макромолекулы полимеров, или, точнее, циклы реакций. В первичном бульоне присутствуют и катализаторы химических реакций, которые сами образуются в них как промежуточные продукты, тем самым протекающие реакции похожи на реакции типа Белоусова-Жаботинского, т.е. являются автокаталитическими. Эйгену еще не было известно, что через несколько лет такие самоорганизующиеся системы начнут изучать в разных областях науки, выделят принципы самоорганизации и появится новая область знания - синергетика.

В 1979 г. Опарин выступил с критикой позиции Эйгена, считая появление жизни закономерным, а не случайным процессом. Его поддержал преподаватель Пермского университета В.В. Орлов, утверждавший, что философия должна «объяснять» процессы происхождения жизни и сознания. Он верил в целенаправленность эволюции материи, кульминацией которой является происхождение человека. Этот телеологический способ мышления сближал Опарина и Орлова с философией природы Тейяра де Шардена. С их взглядами не согласился Дубинин: «Жизнь - это не фатальное последствие химической эволюции. Жизнь на Земле могла и не возникнуть…».