Что такое Земля? Космологическая случайность. Что такое жизнь? Химическая случайность. Что такое человек? Биологическая случайность.
Валериу Бутулеску
Каждый, кто задается вопросом, что такое жизнь и как она появилась сталкивается с огромным спектром философский воззрений и научных теорий.
Часто мои ученики пытаются вытащить из этого клубка мнений что-то приближенное к их личным убеждениям, на что обычно я советую знать все теории возникновения жизни и с уважением относиться к любой из них. Не это ли настоящее отношение интеллигентного человека?
Какие теории мы изучаем? Давайте разберем подробно в этой статье.
1. Теория стационарного состояния.
Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно, она всегда способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень мало. Виды также существовали всегда. Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб – латимерию.
Они утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми остатками, можно делать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее немногочисленные сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте (увеличение численности, миграции в места благоприятные для сохранения остатков и т. п.). Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, и она наиболее подробно разработана именно в этом направлении.
2. Панспермия — в переводе с греческого (πανσπερμία — смесь всяких семян, от πᾶν (pan) — «всё» и σπέρμα (sperma) — «семя») буквально означает «семена повсюду». Гипотеза панспермии утверждает, что «семена» жизни существуют повсюду во Вселенной и могут перемещаться через пространство от одного места к другому.
Эта теория 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. Теория панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время в разных частях Галактики или Вселенной. 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.
3. Креационизм
Согласно этой теории жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом; ее придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений. Процесс божественного сотворения мира считается произошедшим однократно и поэтому недоступен для наблюдения; этого достаточно, чтобы вынести всю концепцию божественного сотворения за рамки научного обсуждения. Наука занимается только теми явлениями, которые поддаются наблюдению, и поэтому она никогда не сможет ни опровергнуть, ни доказать эту концепцию.
4. Теория спонтанного зарождения. Эта теория была распространена в древнем Китае, Вавилоне и Египте как альтернатива креационизму, с которым она сосуществовала. Аристотель (384 – 322 до н. э.), которого часто называют основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения из неживого вещества. Согласно его гипотезе, определенные “частицы” вещества содержат некое “активное начало”, которое при подходящих условиях может создать живой организм. Например, лягушки и насекомые при определенных условиях заводятся в сырой почве. Аристотель был прав, полагая, что это начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно считал, что оно есть в солнечном свете, тине и гниющем мясе.
В 1688 г. итальянский биолог и врач Франческо Реди подверг сомнению теорию спонтанного зарождения. Проведя ряд экспериментов, с открытыми и закрытыми сосудами, он получил данные, подтверждающие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза), провозгласив знаменитый принцип - “все живое – от живого”.
Франческо Реди был итальянским ученым, родившимся в Ареццо 18 февраля 1626 года. Он закончил дипломы в области медицины и философии из Университета Пизы. После окончания Реди переехал во Флоренцию, чтобы стать врачом великого князя Тосканы. Реди был вдохновлен работой Уильяма Харви, который правильно описал кровообращение вокруг тела. Это привело его к разработке собственной экспериментальной работы. Его самая известная работа - документ под названием « Esperienze Intorno alla Generazione degl'Insetti» («Эксперименты по генерации насекомых»), который он опубликовал в 1668 году. Эта работа послужила доказательством против теории спонтанной генерации. Теория спонтанной генерации, живые существа могут образоваться из неживых объектов, была выдвинута Аристотелем и широко признана на протяжении тысячелетий. Люди полагали, что личинки просто выйдут из гниения мяса. В эксперименте Реди приготовил три группы банок, каждый из которых кусочками мяса внутри них. Одна группа банки была покрыта марлей, одна группа осталась открытой, и одна группа была полностью запечатана.В группе банок, которые были оставлены открытыми, Реди нашел личинок на мясе. Реди заметил, что в банках, которые были полностью запечатаны, личинок не было. В группе банок, которые были покрыты марлей, он заметил, что на мясе не было личинок, но на верхушке марли появились личинки.
Этот эксперимент предоставил доказательства, которые опровергли теорию спонтанной генерации. Он показал, что личинки пришли из яиц, заложенных мухами. Этот эксперимент был важен, поскольку он был одним из первых контролируемых экспериментов в истории. Современные научные эксперименты требуют контроля для устранения влияния других переменных на результаты эксперимента.
Эти эксперименты, однако, не привели к отказу от идеи самозарождения, и хотя она несколько отошла на задний план.
В 1860 г. проблемой происхождения жизни занялся Луи Пастер, который к этому времени уже многое сделать в микробиологии.
В результате ряда экспериментов Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию самозарождения.
Однако подтверждение теории биогенеза породило другую проблему. В колбочки ученый наливал питательные растворы, кипятил их. Потом нагревал горлышко колбы, оттягивал его в длинную трубку и запаивал кончик. Выйдя во двор, Пастер обламывал запаянный кончик. Воздух врывался в колбу и заносил туда микробы и их споры. После этого Пастер снова запаивал горлышко. Попавшие в колбу микробы размножались. Это видно по образовавшемуся на поверхности бульона мутному облачку. Если для возникновения живого организма необходим другой живой организм, то откуда же взялся самый первый живой организм? Было ли это первичным самозарождением?
5. Биохимическая эволюция.
В современном естествознании наиболее обоснованной считается теория абиогенного происхождения жизни, выдвинутая в 1923 г. российским биохимиком А.И. Опариным.
Основной идеей этой теории было обоснование того, что зарождение жизни – это длительный процесс зарождения живой материи в недрах неживой. Выделяют три основных этапа предположительного перехода от “неживого” к “живому”.
1. Этап синтеза исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы и состояния поверхности Земли.
2. Этап формирования в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров, углеводородов, липидов.
3. Самоорганизация сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процессов обмена веществ и воспроизводства органических структур данного состава, завершающееся образованием простейшей клетки.
Не все ясно с первыми двумя этапами, а в отношении третьего признака прояснения появились только в последние годы. Как известно возраст нашей планеты 4-4,5 млрд лет. В прошлом состояние нашей планеты было мало похоже на нынешнее: температура на поверхности была очень высокой (4000 – 8000ºС), и по мере того, как Земля остывала, углерод и тугоплавкие металлы конденсировались и образовали земную кору; поверхность планеты была голой и неровной, так как на ней в результате вулканической активности, подвижек и сжатий коры, вызванных охлаждением, происходило образование складок и разрывов. Полагают, что гравитационное поле еще недостаточно плотной планеты не могло удерживать легкие газы: водород, кислород, азот, гелий и аргон, и они уходили из атмосферы. До тех пор, пока температура Земли не упала ниже 100°C, вся вода находилась в парообразном состоянии. Примитивная атмосфера Земли была восстановительной, то есть освобождающей кислород из кислородных соединений, о чем свидетельствует наличие в самых древних горнах породах металлов в восстановленной форме (например, двухвалентное железо). Более молодые породы содержат металлы в окисленной форме (Fe3+). Восстановителем был водород – главный элемент Вселенной. По оценкам, в первичной атмосфере Земли парциальное давление водорода составляло 0,002%. Это достаточно высокое значение. В 1923 г. А.И. Опарин, исходя из теоретических соображений, высказал мнение, что органические вещества, возможно углеводороды, могли создаваться в океане из более простых соединений. Отсутствие кислорода, вероятно, было необходимым условием для возникновения жизни; как показывают лабораторные опыты, органические вещества (основа жизни) гораздо легче образуются в атмосфере бедной кислородом. Современная атмосфера, в отличие от первичной, содержит большое количество кислорода. Он мог возникнуть двумя путями: в результате разложения воды под действием УФ излучения Солнца, либо в результате фотосинтеза зеленых растений. Сегодня принято считать, что атмосферный кислород имеет фотосинтетическое происхождение (то есть кислород в сегодняшней концентрации появился только после зарождения жизни). Следовательно, растения, жизнь, должны 4 были возникнуть на Земле в восстановительной атмосфере. И это понятно: кислород просто окислял бы те химические соединения, из которых могли бы возникнуть биологические макромолекулы. Дополнительным аргументом в пользу возникновения первичных органических соединений в восстановительной атмосфере служит существование анаэробных бактерий. Органические соединения могли возникнуть в восстановительных условиях при наличии источников энергии, имеющих разную природу (табл. 1). Солнечное излучение, приходящее на поверхность Земли, имело значительную УФ компоненту (поглощаемую сегодня озоновым слоем, возникшим позже вместе с кислородом атмосферы). Это излучение обеспечивает энергией протекание химической реакции и в то же время разрушает сложные органические соединения. Следовательно, накопление таких соединений возможно только в динамике при наличии условий, обеспечивающих защиту от быстрого распада под действием УФ. Отметим, что эти условия создавались в неких особых, случайных точках. Именно поэтому важна не только мощность потока энергии, но и многообразие ее источников. Условия формирования сходных органических соединений крайне далеки от равновесия и порождены случаем. Так, одна из моделей первичного образования органических соединений состоит в следующем. Ранняя Земля была относительно молодым телом с разреженной восстановительной атмосферой, состоящей из смеси метана, аммиака, паров воды при общем давлении не более 10 мм. рт. ст. Температура поверхности не превышала – 50С, то есть литосфера была покрыта слоем льда. Поток солнечного излучения, особенно УФ часть, а также космическое излучение приводили к ионизации атмосферы. И она находилась в состоянии холодной плазмы. В этом состоянии сосуществуют ионизированные атомы, ионы и электроны, однако их энергии достаточно малы. Подобную холодную плазму мы наблюдаем в газоразрядных трубках, лампах дневного света, бактерицидных лампах. Именно этот ионизированный газ и был основным источником энергии для поддержания химической эволюции органического вещества. В ионизированном газе легко возбудить электронные разряды. Опыты показали, что из достаточно простых соединений углерода, кислорода, азота и тому подобное в условиях электрического разряда быстро образуется многообразие сложных органических соединений. Низкая температура поверхности и малая энергия частиц создавали условия для успешного протекания полимеризации ряда образовавшихся соединений. Рост массы этих полимеров приводил к их конденсации и выпадению на ледяной покров. Там они сохранялись до “лучших” времен. Радиоактивный разогрев недр Земли пробудил тектоническую деятельность. Выделение газов уплотнило атмосферу, ее нижние слои перестали быть доступными для ионизирующего УФ излучения Солнца и высокоэнергетических космических частиц. Началось повышение температуры поверхности и образование первичных водоемов. Энергию для этих процессов поставляла интенсивная солнечная радиация, главным 5 образом ультрафиолетовое излучение, падавшее на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. По мнению Опарина, разнообразие находившихся в океанах простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался “первичный бульон”, в котором могла возникнуть жизнь. Именно здесь и появились сложные органические соединения – макромолекулы (биополимеры), липиды, углеводы.
Первичный бульон — термин, введённый А.И. Опариным. Первичный бульон предположительно существовал в мелких водоёмах Земли 4 млрд. лет назад. Он состоял из аминокислот, полипептидов, азотистых оснований, нуклеотидов. Он образовался под воздействием электрических разрядов, высокой температуры и космического излучения. При этом в атмосфере ещё отсутствовал кислород. Первичная атмосфера Земли содержала водород и соединения углерода (метан) и азота (аммиак). Отсутствие в атмосфере кислорода было вероятно необходимым условием возникновения жизни: лабораторные опыты показывают, что органические вещества гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере, богатой кислородом. О том, что атмосфера была именно такой, свидетельствуют самые древние горные породы на Земле. Условия для начала процесса формирования белковых структур установились с момента появления первичного океана (бульона). В водной среде производные углеводородов могли подвергаться сложным химическим изменениям и превращениям. В результате такого усложнения молекул могли образоваться более сложные органические вещества, а именно углеводы.
Наука доказала, что в результате применения ультрафиолетовых лучей можно искусственно синтезировать не только аминокислоты, но и другие органические вещества. Согласно теории Опарина, дальнейшим шагом по пути к возникновению белковых тел могло явиться образование коацерватных капель. При определённых условиях водная оболочка органических молекул приобретала чёткие границы и отделяла молекулу от окружающего раствора. Молекулы, окружённые водной оболочкой, объединялись, образуя многомолекулярные комплексы — коацерваты.
Коацерватные капли - самообразующиеся в растворах высокомолекулярных соединений зоны повышенной концентрации, которые относительно отделены от внешней среды и могут поддерживать обмен с ней. Капли были способны поглощать извне вещества по типу открытых систем. При включении в коацерватные капли различных катализаторов (в том числе и ферментов) в них происходили различные реакции. За счёт этого капли могли увеличиваться в объёме и весе, а затем дробиться на дочерние образования. Таким образом, коацерваты могли расти, размножаться, осуществлять обмен веществ.
Здесь уже возможен примитивный «отбор», ведущий к постепенному усложнению и упорядоченности как обеспечивающих преимущество в выживании. Механизм отбора действовал на самых ранних стадиях зарождения органических веществ — из множества образующихся веществ сохранялись устойчивые к дальнейшему усложнению.
Пять лет спустя независимо от Опарина сходные идеи были развиты английским ученым Дж. Холдейном. Общим во взглядах Опарина и Холдейна является попытка объяснить возникновение жизни в результате химической эволюции на первичной Земле. Оба они подчеркивают огромную роль первичного океана как огромной химической лаборатории, в которой образовался «первичный бульон», а кроме того, и роль энзимов — органических молекул, которые многократно ускоряют нормальный ход химических процессов.
Поэтому теория биохимической эволюции названа " Теория Опарина-Холдейна".
В 1953 году в Чикагском университете был поставлен эксперимент, сегодня ставший классическим. . В 1953 году Гарольд Юри был уже Нобелевским лауреатом, а Стэнли Миллер — всего лишь его аспирантом. Идея эксперимента Миллера была простой: в полуподвальной лаборатории он воспроизвел атмосферу древнейшей Земли, какой она была по мнению ученых, и со стороны наблюдал за тем, что происходит. При поддержке Юри он собрал простой аппарат из стеклянной сферической колбы и трубок, в котором испарявшиеся вещества циркулировали по замкнутому контуру, охлаждались и вновь поступали в колбу. Миллер заполнил колбу газами, которые, по мнению Юри и русского биохимика Александра Опарина (1894–1980), присутствовали в атмосфере на заре формирования Земли, — водяным паром, водородом, метаном и аммиаком. Чтобы сымитировать солнечное тепло, Миллер нагревал колбу на бунзеновской горелке, а чтобы получить аналог вспышек молний — вставил в стеклянную трубку два электрода. По его замыслу, материал, испаряясь из колбы, должен был поступать в трубку и подвергаться воздействию электрического искрового разряда. После этого материал должен был охлаждаться и возвращаться в колбу, где весь цикл начинался вновь.
После двух недель работы системы жидкость в колбе стала приобретать темный красно-коричневый оттенок. Миллер провел анализ этой жидкости и обнаружил в ней аминокислоты — основные структурные единицы - белков. Так у ученых появилась возможность изучать происхождение жизни с точки зрения основных химических процессов. Начиная с 1953 года с помощью усложненных вариантов эксперимента Миллера—Юри, как стали его с тех пор называть, были получены все виды биологических молекул— включая сложные белки, необходимые для клеточного метаболизма, и жировые молекулы, называемые липидами и образующие мембраны клетки. По-видимому, тот же результат мог бы быть получен и при использовании вместо электрических разрядов других источников энергии — например, тепла и ультрафиолетового излучения. Так что почти не остается сомнений в том, что все компоненты, необходимые для сборки клетки, могли быть получены в химических реакциях, происходивших на Земле в древнейшие времена. Ценность эксперимента Миллера—Юри состоит в том, что он показал, что вспышки молний в атмосфере древней Земли за несколько сот миллионов лет могли вызвать образование органических молекул, попадавших вместе с дождем в «первичный бульон».
После Орджел Лесли Илизер в Институте Солка
в сходном эксперименте синтезировал нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты).
Очень верно высказался по этой теме академик Б.С. Соколов: “Путь, который прошел органический мир от бактерий до нас с вами, более прост, чем путь, который связал сложные, но предбиологические молекулы с биологической эволюцией, сформировав первых самовоспроизводящихся прокариот…”
При написании статьи использовались материалы лекций Томского политехнического университета и Википедии.
