Раздел 4. Биологический уровень организации материи

Тема 9. Концепции происхождения и сущности жизни

Представления о сущности жизни в истории познания существенно менялись. Первоначально утвердился гилозоизм – учение о всеобщей одушевленности материальных вещей (от Античности до 18 в.), затем витализм – учение о наличии в организмах особого сверхприродного нематериального начала – «жизненной силы» (17 – 20 вв.) и одновременно с ним механицизм – учение, согласно которому организмы – это машины, но только более сложные, чем созданные человеком механизмы (напр., часы) (17 –19 вв.). Развитие биологии и химии в 19 в. привело к пониманию жизни как особой формы движения материи, включающей в свой состав другие формы движения (механическую, физическую, химическую), но несводимой к ним. Обобщением этого этапа познания живого вещества является следующее определение: жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей средой (Ф. Энгельс). Основными признаками живого являются обмен веществом и энергией с окружающей средой, рост, размножение, наследственность и изменчивость, приспособляемость к внешним условиям, раздражимость и др.

По проблеме происхождения жизни существует несколько представлений. Исторически первым является креационизм – идея сотворения мира богом, присущая всем мировым религиям. В Античности появляется идея самозарождения организмов из неорганического вещества. Она просуществовала до 19 в., пока не была окончательно опровергнута Л. Пастером. В 1865 г. Г. Рихтером была выдвинута гипотеза панспермиев - идея занесения зародышей организмов («частиц жизни», «космозоев») из космоса. Эта гипотеза созвучна еще одной гипотезе – «стационарного состояния», согласно которой жизнь существовала во Вселенной всегда. Однако две последние гипотезы малоправдоподобны, если исходить из физических представлений о «горячей Вселенной». В начале 20 в. появляется гипотеза происхождения живого абиогенным путем в результате длительной биохимической эволюции из неорганического вещества. Первым эту идею стал разрабатывать А.И. Опарин.

Первичная атмосфера земли была восстановительной (содержала смесь газов: водяной пар, метан, углекислый газ, сероводород, аммиак и др.), но не содержала молекулярного кислорода. Именно такие газы обычно появляются при извержении вулканов. Под действием ряда физических факторов (электрические разряды, ультрафиолетовый свет, естественная радиоактивность) из этой смеси газов могли синтезироваться сложные органические соединения типа аминокислот, нуклеотидов, липидов, которые выпадали в Мировой океан и там накапливались. Известно, что основными молекулярными структурами живого являются 20 видов аминокислот – структурных элементов белковой молекулы, 5 азотистых оснований, из которых состоят нуклеотиды – структурные элементы нуклеиновых кислот, два углевода и одна фосфатная группа. Объяснить происхождение этих структурных элементов живого из неорганического («мертвого») материала – первоочередная задача концепции абиогенного происхождения жизни. Эксперименты, проведенные в 50 – 60 гг., доказали такую возможность. Первым такой эксперимент осуществил американский биохимик С.Л. Миллер в 1953 г..

Ввиду отсутствия свободного кислорода возникшее абиогенным путем органическое вещество не окислялось и со временем образовало своего рода «бульон» – раствор органического вещества. Из молекул первичного вещества в растворе могли образовываться многомолекулярные комплексы – коацерватные капли, которые под действием механических причин (волны, прибой) дробились, объединялись, образуя достаточно устойчивые комплексы, отделенные от водной среды жироподобными мембранами. Эти комплексы могли начать обмен веществом и энергией с окружающей средой, в них мог начаться предбиологический отбор. А.И. Опарин назвал их протобионтами. Дальнейшая эволюция протобионтов могла состоять в удлинении цепей химических реакций, их замыкании в повторяющиеся циклы. Особую роль в их совершенствовании могли сыграть особые вещества-ферменты, способные увеличивать скорости реакций в сотни тысяч и миллионы раз. Вторым условием происхождения живого вещества должно было стать появление механизма, обеспечивающего пространственное расположение аминокислотных остатков в полипептидной цепи (в молекуле белка). Так, в результате эволюции, длившейся сотни миллионов лет, 3,8 – 3,5 млрд лет назад мог появиться первичный одноклеточный организм.

Первым организмом на Земле был анаэробный гетеротроф. Анаэробный (т. е. бескислородный) – потому, что энергетический обмен осуществлялся без участия свободного кислорода. Кислородный энергетический обмен появился через 2,5 млрд лет, когда в результате деятельности растений концентрация кислорода достигла 1% нынешнего уровня (число Пастера). Гетеротроф – потому, что первичные организмы питались готовым органическим веществом первичного «бульона». Автотрофный способ питания (фотосинтез и хемосинтез) опирается на сложные цепи химических реакций и появился спустя три миллиарда лет, когда с появлением озонового слоя, сделавшего атмосферу непрозрачной для ультрафиолетовых лучей, прекратился абиогенный синтез органического вещества, пополнявший его запасы в океане.

В современной биологии существуют две концепции абиогенного пути происхождения жизни: голобиоз и генобиоз. Разработанная А.И. Опариным гипотеза происхождения жизни, основанная на идее первичности структур клеточного типа, способных к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма, относится к первой концепции – голобиоза. Вторая концепция – генобиоза – исходит из идеи первичности молекулярной системы, обладающей свойствами генетического кода. Другими словами, проблема стоит так: что возникло раньше – белки или нуклеиновые кислоты? Обе концепции сталкиваются с одной и той же проблемой: синтез белка в клетке регулируется генетическим аппаратом, основу которого составляет ДНК, но функции ДНК реализуются только при наличии белков-ферментов. Возможно, первичной химической структурой была возникшая абиогенным путем более простая по строению молекула РНК, обладающая автокаталитической функцией. На молекуле РНК стали формироваться упорядоченные полипептидные цепи (молекулы белка), на основе которых образовались молекулы ДНК (сформировался генетический аппарат). Дальнейшее развитие науки, возможно, разрешит эту проблему.