Раздел 5. Происхождение и эволюция жизни на земле

5.1. Возникновение жизни на Земле

Вопрос о происхождении жизни на Земле является наиболее сложным и вместе с тем наиболее значимым не только для естественных и биологических наук, но и для философии и общественных наук в целом, поскольку ответ на него определяет идеологию и мировоззрение общества. На разных исторических этапах человечество пыталось найти ответ на этот вопрос, рассматривая его с идеалистической или материалистической позиции.

В наши дни, несмотря на высокий научный уровень цивилизации, наиболее распространенной является идеалистическая концепция – креационизм, основанная на божественном творении всего живого. Эта концепция имеет многовековую историю. Она положена в основу большинства религий, таких как христианство, ислам, иудаизм и стала частью общественного сознания. Вместе с тем креационизм, основанный только на вере и не подкрепленный ни чем, по сути не дает ответа на данный вопрос.

Многие ученые, в том числе Аррениус, Вернадский, Гельмгольц, Кельвин и др., неоднократно, в разных вариантах, выдвигали и обсуждали идею панспермии, согласно которой жизнь на Землю занесена из Космоса. Основанием для такой гипотезы послужили обнаруженные в метеоритах следы органических мономеров и даже углеводородов. Однако эта концепция не вскрывает механизма образования живой материи, а переносит вопрос о возникновении жизни с Земли во Вселенную. Кроме того, исследование свойств космических лучей позволило установить, что космическая радиация оказывает разрушительное воздействие на все живое, из чего следует несостоятельность гипотезы панспермии.

В современном естествознании принята материалистическая концепция, согласно которой жизнь на Земле возникла в результате биохимической эволюции материи и развивалась вместе с эволюцией самой Земли. Эта концепция основана на научных достижениях молекулярной биологии, космохимии и геохимии, палеонтологии и геологии, и т.д. Основоположниками ее являются известный русский биохимик А.И. Опарин (1894–1980), английские естествоиспытатели Дж. Бернал (1901–1971) и Б. Холдейн (1882–1964) и др. Процесс становления жизни на Земле, согласно этой концепции, связывают с биохимической эволюцией и подразделяют на четыре этапа.

На первом этапе происходил синтез низкомолекулярных органических соединений (мономеров на углеродной основе). Затем произошла полимеризация мономеров с образованием цепей белков и нуклеиновых кислот. На третьем этапе образовались фазово-обособленные системы органических веществ, отделенные от внешней среды мембраной. И, наконец, возникли простейшие клетки, обладающие свойствами живого, в том числе способностью делиться и передавать дочерним клеткам все химические и метаболические свойства родительских клеток.

По времени эти процессы осуществлялись в течение первого миллиарда лет существования Земли. Основополагающими факторами, которые способствовали химической эволюции и затем ее переходу в биологическую, то есть привели к рождению живой клетки, считают уникальные химические свойства углерода, как «строительного материала» всего живого; экстремальные температурные, климатические и радиационные условия на молодой Земле и автокатализ.

Зародившуюся жизнь на Земле и существующую в теперешнем ее состоянии называют углеродной. В состав любой клетки как растительного, так и животного организма входит углерод , водород , кислород , азот , фосфор и сера . Их общая весовая доля в живой материи составляет 97,4%. Эти элементы называют органогены. Среди них органоген № 1 – это углерод. Несмотря на то, что в поверхностных слоях Земли органогенов всего около 0,24%, количество органических соединений (углеродных), известных в настоящее время, насчитывается около 10 млн., по некоторым данным и того более, в то время как остальные химические элементы образуют не больше 300 тыс. соединений.

Атом углерода образует почти все типы химических связей, какие знает химия. Он способен образовывать достаточно прочные энергоемкие химические связи, в то же время обладающие достаточной лабильностью, то есть способностью быть изменчивыми и перестраиваемыми. Он образует углерод-углеродные связи, строя таким способом длинные и стабильные углеродные скелеты молекул в виде цепей или колец. Углеродные атомы образуют связи с остальными элементами-органогенами . Взаимодействие с этими и другими элементами в различных комбинациях обеспечивает чрезвычайно большое разнообразие органических соединений. Оно проявляется в размерах, форме молекул и их химических свойствах. Соединения углерода достаточно активны при комнатных температурах. Активность соединений углерода управляется катализаторами благодаря свойству направленности и насыщенности ковалентной связи. Многие соединения углерода растворяются в воде, сами являются хорошими катализаторами и существуют в различных агрегатных состояниях при комнатных температурах. Все это сыграло определяющую роль в отборе химических элементов Природой при формировании биологических систем и обеспечило процесс синтеза органических соединений абиогенным способом, то есть не биологическим.

Биологический синтез органических соединений (биогенез) происходит при участии ферментов (катализаторов), для химического синтеза (хемогенеза) необходимы повышенные температура, давление, радиация, воздействие электрических полей и т.д. Такие условия могли существовать на Земле в первый период ее существования.

Согласно взглядам современной космологии, Земля вместе с другими планетами Солнечной системы образовалась примерно 4,6 млрд. лет назад, совсем немногим позже Солнца. Первые сотни миллионов лет молодая Земля представляла из себя разогретый шар, клокочущий вулканами и разливающейся магмой. Высокая активность еще не стабилизировавшегося Солнца, столкновения Земли с фрагментами сконденсировавшего, но не вошедшего в состав планет газо-пылевого облака (метеоритами), усиливали вулканическую деятельность Земли и сопровождались повышением радиации и резкими климатическими изменениями. Но постепенно, спустя десятки и сотни миллионов лет, Земля остывала, процессы в ее недрах и околосолнечном пространстве стабилизировались, сформировалась земная кора, океаны и бескислородная атмосфера, в состав которой входили метан, аммиак, углекислый газ, азот, пары воды. Начались всевозможные химические реакции и процессы. Условия для химического синтеза высокомолекулярных органических соединений и их полимеризации стали необходимыми и достаточными.

Предположения о возможном химическом синтезе органических веществ (хемогенез) подтверждены рядом экспериментов в различных лабораториях мира. Начало этим работам было положено в 1953 году С. Миллером и Г. Юри, которые при воздействии искрового разряда, имитирующего молнию, на газовую смесь, моделирующую состав первичной атмосферы Земли, получили набор углеродных мономеров. Позднее, при воздействии ультрафиолетового излучения, получили сложные высокомолекулярные органические соединения, входящие в состав живых белков – глицин, аланин и др., тем самым показав возможность небиологического синтеза органических веществ.

На стадии перехода от химической эволюции к биологической, то есть зарождению живой клетки, как многофункциональной биосистемы, определяющую роль отводят катализаторам. Согласно теории саморазвития открытых каталитических систем, выдвинутой А. П. Руденко в 1964 году, пре-делом химической эволюции является переход от хемогенеза к биогенезу. Учитывая специфические селективные и избирательные свойства катализаторов, их влияние на биохимическую эволюцию сводится к следующему:

• на ранней стадии химической эволюции катализ отсутствует. Высокие температуры и радиация сами обеспечивают энергию, необходимую для активации любых химических взаимодействий;

• первые проявления катализа начинают сказываться при снижении температуры на Земле ниже 5000 К. По мере того, как физические условия становились все менее экстремальными, роль катализаторов возрастала. Но общее значение катализа вплоть до образования достаточно сложных органических молекул, таких как аминокислоты, первичные сахара и т.д., еще не было высоким;

• после достижения необходимого минимального набора неорганических и органических соединений роль катализа начала резко возрастать. Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получались относительно большим числом химических способов и обладали широким каталитическим спектром;

• в ходе дальнейшей эволюции отбирались те структурные образования, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп;

• завершающим этапом, соединяющим химическую эволюцию и биологическую, является формирование структур типа ДНК, выполняющих роль каталитических матриц, на которых осуществляется воспроизведение себе подобных;

• дальнейшая роль катализаторов (в биологии их называют ферментами) сводится к обеспечению жизнедеятельности клетки и ее биологической эволюции.

Предполагаемый сценарий биохимической эволюции, завершившийся синтезом живой клетки, не допускает возможность ее случайной «сборки» из простых органических веществ. По подсчетам вероятность подобного процесса имеет порядок и за время, отведенное геологической историей Земли для синтеза простейших организмов, осуществить его случайным перебором практически невозможно. С точки зрения неравновесной термодинамики (синергетики) на каком-то этапе биохимической эволюции, а возможно на каждом из них, включался механизм самоорганизации, характерный для неравновесных открытых систем, каковым и являлся океан ранней Земли.

Все попытки смоделировать условия океана ранней Земли, обеспечившие переход от химической эволюции к биологической, и синтезировать живую клетку из набора органических соединений в лаборатории остаются пока безуспешными. Открытым остается и другой вопрос: являются ли условия на Земле совершенно уникальными и исключительными для возникновения и существования биологической жизни? Не могли ли аналогичные условия возникнуть в других звездных системах, галактиках?

По данным современной астрономии можно однозначно заключить, что в ближайших к нам звездных системах условий для образования похожих на нас цивилизаций не существует. Но существование примитивных форм жизни не исключается [21].