2. Гипотезы о происхождении жизни на Земле

Существует несколько гипотез происхождения жизни на Земле. Наиболее распространенные: креационизм (жизнь есть результат творения сверхъестественного существа — бога), самопроизвольное зарождение (жизнь возникала неоднократно из неживого вещества), стационарное состояние (жизнь существовала всегда), панспермии (жизнь занесена из других миров), биохимической эволюции (жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам). Однако ни одна из них до сих пор не подтверждена надежным эмпирическим материалом. Наиболее доказательно выглядит последняя гипотеза, высказанная в 1923 г. советским биохимиком А. И. Опариным (1894 — 1980) и независимо от него английским биологом Д. Б. Холдейном (1892-1964).

Было выделено несколько этапов биохимической эволюции.

1. Геохимическая эволюция Земли, синтез простейших неорганических соединений (СО₂, Н₂О, NН₃ и др. ), переход воды из парообразного состояния в жидкое в процессе охлаждения Земли. На это ушло десятки, если не сотни миллионов лет. Эволюция атмосферы и гидросферы.

2. Образование простейших органических веществ (аминокислот) под воздействием грозовых разрядов. Накопление их в водах океанов.

3. Постепенное усложнение органических соединений, формирование белковых структур.

4. Благодаря амфотерности белковых молекул (способности к образованию коллоидных гидрофильных комплексов, притягивающих к себе молекулы воды) стало возможным создание вокруг белковых структур водной оболочки. Образовались водные комплексы.

5. Слияние таких комплексов привело к образованию коацерваций (лат. coacervatio — накопление, накопление в растворах высокомолекулярных соединений), способных обмениваться веществом и энергией с окружающей средой.

6. Поглощение коацерватами металлов привело к образованию ферментов, способных ускорять биохимические процессы.

7. Выстраивание гидрофобных липидов на границе между коацерватами и внешней средой способствовало образованию примитивной мембраны, обеспечивающей стабильность функционирования коацервата.

8. В процессе эволюции у этих образований появились простейшая саморегуляция и самовоспроизведение.

Так по мнению А. И. Опарина появилось примитивное живое вещество. На его создание природа потратила около полутора миллиардов лет. Дальнейшее его усложнение осуществлялось на основе механизмов, выявленных в эволюционной теории Ч. Дарвина. Таким образом, чисто качественно, без математических уравнений, еще не зная о существовании автокаталитических реакций, Опарин указал основные этапы предбиологической эволюции вещества. Одно из слабых мест его теории — механизмы перехода от неживого к живому, появление функций саморегуляции и самовоспроизведения.

Развитие математического моделирования позволило более или менее точно восстановить картину перехода от неживого к живому. В 1971 году немецкий ученый М. Эйген предложил модельную теорию самоорганизации макромолекул. Поздний этап предбиологической эволюции по модели Эйгена связан с сопряжением множества химических процессов, поисками оптимального соотношения их скоростей, согласованности их отдельных этапов и способности к внутренней перестройке под действием факторов внешней среды. Это потребовало совершенствования информационных связей между отдельными компонентами коацерваций. По всей вероятности, именно на этом этапе возникает многоконтурная обратная связь. Для достижения высокого уровня регуляции процессов необходимо ограничение влияния флуктуаций параметров внешней среды. Для этого потребовалась избирательно проницаемая мембрана — клеточная оболочка. Очевидно, одновременно совершенствуется процесс самовоспроизведения и передачи структурной (наследственной) информации, появляется способность к регенерации. Возникает примитивная пространственно обособленная область низкой энтропии, отделенная от внешней высокоэнтропийной среды, и способная к саморегуляции и самовоспроизведению. На этом уровне организации материи, как и на более низких, возможно появление мутантов, но благодаря конкуренции выживают наиболее оптимальные виды. Появление молекул ДНК и РНК способствовало отработке простейших механизмов управления воспроизводством себе подобных структур, снижению и коррекции сбоев, сохранению наследственных качеств структуры.

Опыты, проведенные американским ученым Стенли Миллером в условиях, приближенных к тем, которые некогда существовали на Земле, полностью подтвердили возможность предбиологической эволюции по сценарию, описанному А. И. Опариным. Однако воспроизвести процесс самоорганизации биополимеров до клеточного уровня в искусственных условиях пока не удалось, и будет ли это возможно в обозримом будущем неизвестно.

Первые примитивные одноклеточные организмы, по всей вероятности, были гетеротрофами (греч heteros другой, trophe — пища, организмы, которые используют для своего питания готовые вещества), так как только они могли воспользоваться имевшимися в морском бульоне готовыми запасами вещества и энергии. Автотрофы (греч. autos — сам, организмы, синтезирующие органические вещества, необходимые для обеспечения своей жизнедеятельности) появились значительно позднее, когда природой были отработаны механизмы хемо— и фотосинтеза. С момента возникновения живых организмов, способных к фотосинтезу, геохимическая и биологическая эволюции стали неотделимы друг от друга. Жизнедеятельность живого вещества стала оказывать формирующее влияние на геохимический состав поверхности Земли, гидросферы и атмосферы.

Однако возможности одноклеточной структуры весьма ограничены в плане энергетики, устойчивости и оптимальности. Возникают ассоциации клеток, отрабатываются механизмы их согласованного взаимодействия, разделяются функции, происходит специализация отдельных клеток, появляются прообразы органных систем. Многоклеточные структуры лучше, чем одноклеточные, защищены от внешних воздействий и более надежны, благодаря возможности дублировать функции. Эта надежность многократно возрастает с появлением руководящего центра — нервной системы и ее центрального отдела — мозга.

Как известно, многие абиотические факторы (температура, мощность излучения, напряженность электромагнитного поля, естественный радиационный фон и другие) изменяются циклично под влиянием космических ритмов (вращение Земли вокруг собственной оси, вокруг Солнца, цикличность солнечной активности). Вероятно, воздействие этой цикличности на первичные коацерваты в течение миллионов лет привело к тому, что химические процессы, протекающие внутри них, сделались цепными. Некоторые стали носить опережающий характер. Если у коацерватов каждый из факторов вызывает «свою» биохимическую реакцию, то у примитивного живого изменение всего лишь одного фактора запускает весь комплекс реакций. А это значит, что у примитивной живой системы появилось опережающее отражение. С усложнением систем усложняется и характер отражения. На уровне живого опережающее отражение изучено советским физиологом П. К. Анохиным (1896-1974).

У простейших организмов сохраненные следы былых воздействий начинают использоваться в виде сигналов, оповещающих о воздействиях, аналогичных былым. При этом отмечаются слабые признаки целенаправленной деятельности и обучаемости. Например, инфузории под воздействием падающего света пытаются найти более оптимальное положение тела по отношению к источнику. У планарий световое раздражение закрепляется на биохимическом уровне и проявляется в опережающих поведенческих реакциях при повторном действии раздражителя через длительный промежуток времени. С усложнением организмов, сохранение былых воздействий выходит на генетический и более высокие уровни и закрепляется в виде инстинктивных «знаний» и безусловных рефлексов, в системе различных форм общения (феромонное, звуковое, знаковое, смысловое).

	Коацерваты	Примитивное живое
Ф акторы среды	А В С D	А В С D
Биохимические реакции	а в с d	а ® в ® с ® d

Опережающее возбуждение является фундаментальным свойством, принципиально отличающим живое от неживого, и лежит в основе адаптивных механизмов. Подчиняясь космическим ритмам, живое «заранее готовится» к смене времен года. Деревья сбрасывают листву задолго до промерзания почвы. Медведь заранее накапливает жир для зимней спячки. Замирает жизнь насекомых.

Проявление опережения наблюдается не только на биохимическом уровне, но и на уровне социальной жизни. Например, планирование деятельности отдельного человека, предприятия, государства, «преждевременные» идеи и открытия, творчество писателей-фантастов, это все проявление важнейшего свойства сложноорганизованных систем — опережающего отражения.