Гипотезы возникновения жизни на Земле

Проблема жизни и живого является объектом исследования многих естественных дисциплин, начиная с биологии и завершая философией, математикой, рассматривающих абстрактные модели феномена живого, а также физикой, определяющей жизнь с позиций физических закономерностей. Многовековые исследования и попытки решения этих вопросов породили различные гипотезы возникновения жизни.

В соответствии с двумя мировоззренческими позициями – материалистической и идеалистической — еще в древней философии сложились противоположные концепции происхождения жизни: креационизм и материалистическая теория происхождения органической природы из неорганической. Сторонники креационизма утверждают, что жизнь возникла в результате акта божественного творения, свидетельством чего является наличие в живых организмах особой силы, управляющей всеми биологическими процессами. Сторонники происхождения жизни из неживой природы утверждают, что органическая природа возникла благодаря действию естественных законов. Позднее эта концепция была конкретизирована в идее самозарождения жизни.

Итак, существуют следующие гипотезы происхождения жизни.

1. Креационизм. Согласно концепции креационизма, жизнь возникла в результате сверхъестественных, т. е. нарушающих законы физики, событий в прошлом. Концепции креационизма придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религий. Согласно традиционным иудейско-христианским представлениям о сотворении мира, изложенным в Книге Бытия, мир и все населяющие его организмы были созданы всемогущим Творцом за 6 дней продолжительностью 24 часа. Однако в настоящее время многие христиане не относятся к Библии как к научной книге и считают, что в ней в понятной для всех людей всех времен форме изложено теологическое откровение о сотворении богом всех живых существ.

Логически не может быть противоречия между научным и богословским объяснениями сотворения мира т.к. эти две сферы мышления взаимно исключают друг друга. Богословие познает истину через божественное откровение и веру и признает вещи, которым нет доказательств в научном смысле слова. Наука широко использует наблюдение и эксперимент, научная истина всегда содержит элемент гипотезы, в то время как для верующего теологическая истина абсолютна. Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место единожды, поэтому он недоступен для наблюдения. Концепция божественного сотворения мира находится вне рамок научного исследования, поэтому наука, занимающаяся явлениями, поддающимися наблюдению, никогда не сможет ни доказать, ни опровергнуть эту концепцию.

В пользу неслучайного характера процесса зарождения и развития жизни говорит антропный принцип, сформулированный в 70-е годы нашего века. Его сущность заключается в том, что даже незначительные отклонения значения любой из фундаментальных констант приводит к невозможности появления во Вселенной высокоупорядоченных структур и, следовательно, жизни. Так, увеличение постоянной Планка на 10 % лишает протон возможности объединиться с нейтроном, т.е. делает невозможным первичный нуклеосинтез. Уменьшение постоянной Планка на 10 % привело бы к образованию устойчивого изотопа ²Не, следствием чего явилось бы выгорание всего водорода на ранних этапах расширения Вселенной. Неслучайный характер значений фундаментальных констант может говорить о наличии “творческого замысла” с самого начала образования Вселенной, что подразумевает наличие Творца – автора этого замысла.

2. Гипотеза спонтанного зарождения жизни. Согласно Аристотелю, определенные “частицы“ вещества содержат некое “активное начало“, которое при подходящих условиях может создать живой организм.

Гипотеза спонтанного зарождения жизни была широко распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте в качестве альтернативы креационизму. Вслед за Эмпедоклом, одним из первых высказавшим идею органической эволюции, концепции спонтанного зарождения жизни придерживался Аристотель, связывавший все организмы в единую “лестницу природы“. Согласно Аристотелю, определенные “частицы“ вещества содержат некое “активное начало“, которое при подходящих условиях может создать живой организм. Это начало, по мнению Аристотеля, присутствует в оплодотворенном яйце, в солнечном свете, тине и гниющем мясе. В 1688 г. итальянский врач Франческо Реди подверг сомнению теорию самозарождения жизни и провел ряд экспериментов, в которых показал, что жизнь может возникать только из предшествующей жизни (концепция биогенеза). Окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения жизни и доказал справедливость теории биогенеза Луи Пастер (1860 г.). Опыты Л. Пастера продемонстрировали, что микроорганизмы появляются в органических растворах в силу того, что туда ранее были занесены их зародыши. Если сосуд с питательной средой оградить от занесения в него микробов, то никакого самозарождения жизни не происходит.

Концепция самозарождения, несмотря на ошибочность, сыграла позитивную роль; опыты, призванные ее подтвердить, представили богатый эмпирический материал для развивающейся биологической науки. Окончательный отказ от идеи самозарождения произошел только в XIX в.

Подтверждение теории биогенеза породило проблему первого живого организма, из которого возникли все остальные. Во всех теориях (кроме теории стационарного состояния) подразумевается, что на какой-то стадии истории жизни произошел переход от неживого к живому. Как же это произошло?

3. Гипотеза стационарного состояния. Согласно этой гипотезе, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; Земля всегда была способна поддерживать жизнь. Виды существовали всегда, у каждого вида есть только две возможности: изменение численности или вымирание.

4. Гипотеза панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время и в разных местах Вселенной. Эта гипотеза возникла в 60-е годы XIX века и связана с именем немецкого ученого Г. Рихтера. Позднее концепцию панспермии разделяли такие крупные ученые, как С. Аррениус, Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский. Для обоснования этой теории используются наблюдения за НЛО, наскальные изображения древних, похожих на ракеты и инопланетян и т.д. Советские и американские космические исследования позволяют считать вероятность обнаружения внеземной жизни в пределах Солнечной системы ничтожной, однако не дают оснований для подтверждения или опровержения существования жизни за ее пределами. При изучении материала метеоритов и комет в них были обнаружены многие “предшественники живого” (цианогены, синильная кислота и др.), которые могли бы сыграть роль ”семян” жизни. Как бы то ни было, теория панспермии не является теорией возникновения жизни как таковой; она просто переносит проблему возникновения жизни в другое место Вселенной.

В начале XX в. идею космического происхождения биологических систем на Земле и вечности существования жизни в космосе развивал русский ученый академик В.И. Вернадский.

5. Гипотеза вечного существования жизни. Она была выдвинута в XIX в. Было высказано предположение, что жизнь существует в космосе и переносится с одной планеты на другую.

6. Гипотеза биохимической эволюции. Возраст Земли оценивается в 4,5–5 млрд лет. В далеком прошлом температура на поверхности нашей планеты составляла 4000-8000 градусов по Цельсию. По мере остывания углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались, образуя земную кору; в результате вулканической деятельности, непрерывных подвижек коры и сжатия, вызванного охлаждением, происходило образование складок и разрывов. Атмосфера Земли в давние времена была, очевидно, восстановительной (в самых древних породах Земли имеются металлы в восстановительной форме, например двухвалентное железо, более молодые породы содержат металлы в окисленной форме, например трехвалентное железо). Кислород в атмосфере практически отсутствовал. Появление жизни тесно связано с возникновением земных океанов, что произошло около 3,8 млрд лет назад. Палеонтологические данные свидетельствуют о том, что температура воды в них была не слишком низкой, но и не превышала 58 °С. Следы древнейших организмов обнаружены в пластах, возраст которых оценивается в 3,2-3,5 млрд лет.

Гипотеза биохимической эволюции была изложена академиком А.И. Опариным (1894-1980 гг.) в книге «Происхождение жизни», опубликованной в 1924 г. Он выступил с утверждением, что принцип Реди, вводящий монополию биотического синтеза органических веществ, справедлив лишь для современной эпохи существования нашей планеты. В начале же своего существования, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотические синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция.

Суть гипотезы Опарина заключается в следующем: зарождение жизни на Земле – длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой. Произошло это путем химической эволюции, в результате которой простейшие органические вещества образовались из неорганических под влиянием сильнодействующих физико-химических факторов.

Появление жизни А.И. Опарин рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень – биохимическую эволюцию. Рассматривая проблему возникновения жизни путем биохимической эволюции, Опарин выделяет три этапа перехода от неживой материи к живой.

Первый этап – химическая эволюция. Когда Земля была еще безжизненной (около 4 млрд лет назад), на ней происходили абиотический синтез углеродистых соединений и их последующаяпредбиологическая эволюция. Для этого периода эволюции Земли были характерны многочисленные вулканические извержения с выбросом огромного количества раскаленной лавы. По мере остывания планеты водяные пары, находившиеся в атмосфере, конденсировались и обрушивались на Землю ливнями, образуя огромные водные пространства (первичный океан). Эти процессы продолжались многие миллионы лет. В водах первичного океана были растворены различные неорганические соли. Кроме того, в океан попадали и различные органические соединения, непрерывно образующиеся в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения, высокой температуры и активной вулканической деятельности. Концентрация органических соединений постоянно увеличивалась, и, в конце концов, воды океана стали «бульоном» из белковоподобных веществ – пептидов.

Рисунок 26 – Схема возникновения жизни по Опарину

Второй этап – появление белковых веществ. По мере смягчения условий на Земле, под воздействием на химические смеси первичного океана электрических разрядов, тепловой энергии и ультрафиолетовых лучей стало возможным образование сложных органических соединений – биополимеров и нуклеотидов, которые, постепенно объединяясь и усложняясь, превращались в протобионтов (доклеточных предков живых организмов). Итогом эволюции сложных органических веществ стало появление коацерватов, или коацерватных капель. Коацерваты – комплексы коллоидных частиц, раствор которых разделяется на два слоя: слой, богатый коллоидными частицами, и жидкость, почти свободную от них. Коацерваты обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в водах первичного океана. В результате внутреннее строение коацерватов менялось в сторону повышения их устойчивости в постоянно меняющихся условиях. Теория биохимической эволюции рассматривает коацерваты как предбиологические системы, представляющие собой группы молекул, окруженные водной оболочкой. Так, например, коацерваты способны поглощать вещества из окружающей среды, вступать во взаимодействие друг с другом, увеличиваться в размерах и т.д. Однако в отличие от живых существ коацерватные капли не способны к самовоспроизводству и саморегулированию, поэтому их нельзя отнести к биологическим системам.

Третий этап – формирование способности к самовоспроизводству, появление живой клетки. В этот период начал действовать естественный отбор, т.е. в массе коацерватных капель происходил отбор коацерватов, наиболее устойчивых к данным условиям среды. Процесс отбора шел в течение многих миллионов лет. Сохранившиеся коацерватные капли уже обладали способностью к первичному метаболизму – главному свойству жизни. Вместе с тем, достигнув определенных размеров, материнская капля распадалась на дочерние, сохраняющие особенности материнской структуры. Таким образом, можно говорить о приобретении коацерватами свойства самовоспроизводства – одного из важнейших признаков жизни. По сути дела, на этой стадии коацерваты превратились в простейшие живые организмы. Дальнейшая эволюция этих предбиологических структур была возможна только при усложнении обменных процессов внутри коацервата.

Внутренняя среда коацервата нуждалась в защите от воздействий окружающей среды. Поэтому вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, отделившие коацерват от окружающей его водной среды. В процессе эволюции липиды трансформировались в наружную мембрану, что значительно повысило жизнеспособность и устойчивость организмов. Появление мембраны предопределило направление дальнейшей биологической эволюции по пути все более совершенной авторегуляции, завершившейся образованием первичной клетки – археклетки. Клетка – элементарная биологическая единица, структурно-функциональная основа всего живого. Клетки осуществляют самостоятельный обмен веществ, способны к делению и саморегулированию, т.е. обладают всеми свойствами живого. Образование новых клеток из неклеточного материала невозможно, размножение клеток происходит только благодаря делению. Органическое развитие рассматривается как универсальный процесс клеткообразования.

В структуре клетки выделяют: мембрану, отграничивающую содержимое клетки от внешней среды; цитоплазму, представляющую собой соляной раствор с растворимыми и взвешенными ферментами и молекулами РНК; ядро, содержащее хромосомы, состоящие из молекул ДНК и присоединенных к ним белков.

Следовательно, началом жизни следует считать возникновение стабильной самовоспроизводящейся органической системы (клетки) с постоянной последовательностью нуклеотидов. Только после возникновения таких систем можно говорить о начале биологической эволюции.

Переход от неживого к живому осуществился после того, как на базе предшественников возникли и развились зачатки двух основополагающих жизненных систем: системы обмена веществ и системы воспроизводства материальных основ живой клетки.

Вероятность того, что белковая молекула, состоящая из 100 аминокислот 20 видов, будет случайным образом сформирована по определенному образцу равна 1/20¹⁰⁰ ≈1/10¹³⁰. Живая клетка – комплекс взаимодействующих белков, липидов и нуклеотидов, образующих генетический код. В простейшей клетке содержится более 2000 ферментов. Вероятность случайного образования таких сложных структур мала.

Возможность абиогенного синтеза биополимеров была экспериментально доказана в середине XX в. В 1953 г. американский ученый С. Миллер смоделировал первичную атмосферу Земли и синтезировал уксусную и муравьиную кислоты, мочевину и аминокислоты путем пропускания электрических зарядов через смесь газов (вода, углекислый газ, водород, азот, метан). Таким образом, было продемонстрировано, как под действием абиогенных факторов возможен синтез сложных органических соединений.

Несмотря на теоретическую и экспериментальную обоснованность, концепция Опарина имеет как сильные, так и слабые стороны. Сильной стороной концепции является достаточно точное экспериментальное обоснование химической эволюции, согласно которой зарождение жизни является закономерным результатом предбиологической эволюции материи. Убедительным аргументом в пользу этой концепции является также возможность экспериментальной проверки ее основных положений. Слабой стороной концепции является невозможность объяснения самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам.

Одну из версий перехода от предбиологической к биологической эволюции предлагает немецкий ученыйМ. Эйген. Согласно его гипотезе возникновение жизни объясняется взаимодействием нуклеиновых кислот и протеинов. Нуклеиновые кислоты являются носителями генетической информации, а протеины служат катализаторами химических реакций. Нуклеиновые кислоты воспроизводят себя и передают информацию протеинам. Возникает замкнутая цепь – гиперцикл, в котором процессы химических реакций самоускоряются за счет присутствия катализаторов. В гиперциклах продукт реакции одновременно выступает и катализатором, и исходным реагентом. Такие реакции называются автокаталитическими.

Другой теорией, в рамках которой можно объяснить переход от предбиологической эволюции к биологической, является синергетика. Закономерности, открытые синергетикой, позволяют прояснить механизм возникновения органической материи из неорганической в терминах самоорганизации через спонтанное возникновение новых структур в ходе взаимодействия открытой системы с окружающей средой.