10.2. Основные концепции происхождения

жизни разнообразие концепций происхождения жизни

Загадка появления жизни на Земле с незапамятных времен вол­нует людей. На протяжении веков менялись взгляды на чту проблему и было нысказано большое количество самых разнообразных гипотез и концепций. Некоторые из них получили широкое распространение и доминировали в те или иные периоды развития естествознания. К такого рода концепциям происхождения жизни относят:

1)креапионизм, утверждающий, что жизнь создана сверхъесте­ственным существом в результате акта творения;

2) концепцию стационарного состояния, в соответствии с кото­рой жизнь существовала всегда;

3) концепцию самопроизвольного зарождения жизни, основы­вающуюся на идее многократного возникновения жизни из нежи­вого нешества;

4) Концепцию панспермии, утверждающую, что жизнь занесена

на Землю из космоса;

^концепцию случайного однократного происхождения жизни;

()) концепцию закономерного происхождения жизни путем био­химической эволюции.

Такое разнообразие взглядов вызвано тем обстоятельством, что точно воспроизвести или. экспериментально подтвердить процесс зарождения жизни сегодня невозможно. Отмеченные теории пре-ИМ) щес т вен но опираются па умозрительные представления как ис­следователей естествен но-научною направления, так. и исследова­телей, придерживающихся теологических взглядов.

Концепция креационизма

Концепция креационизма имеет самую длинную историю, так . практически во всех религиях возникновение жизни рассматри­вается как. акт Божественного творения, свидетельством чего явля­ется наличие в живых организмах особой силы, которая управляет всеми биологическими процессами. Процесс божественного сотво-Рения мира и живого недоступен для наблюдения, и божественный замысел недоступен человеческому пониманию.

Интересно в креационизме был решен вопрос о продолжитель­ности акта творения мира. В Библии сказано, что Бог сотворил мир в шесть дней. Некоторые христианские теологи верят, что это были обычные дни по 24 часа. Другие богословы относились к библей­ским текстам как к аллегориям и считали, что каждый день творе­ния занимал тысячу лет. Но во всех случаях рассуждения о проис­хождении жизни базируются лишь на вере в библейские открове­ния, сомневаться в которых нельзя. Научные же истины в соответ-* ствии с принципом фальсификации всегда подвергаются сомнению.

Таким образом, концепция креационизма, по существу, науч­ной не является, ведь она возникла в рамках религиозного миро­воззрения. Она утверждает, что жизнь такова, какова она есть, по­тому что такой ее сотворил Бог. Тем самым практически снимается вопрос о научном решении проблемы происхождения жизни, так как все религии требует принимать это положение на веру, без до­казательств. Тем не менее, концепция креационизма продолжала и продолжает пользоваться довольно большой популярностью.

Концепция стационарного состояния

Сторонники теории вечного существования жизни считают, что Земля никогда не возникала, а существовала вечно, и вместе с ней всегда существовали различные виды живого. При этом какие-то из видов при изменении условий окружающей среды вымерли, какие- то переместились в новые биологические ниши, а какие-то резко поменяли численность. Большая часть аргументов в пользу этой" теории основана на исследованиях палеонтологов, выявивших ис- I чезновение некоторых видов животных в промессе эволюции, от­ сутствие следов переходных звеньев между разными видами живого и все более высокими оценками возраста Земли. Именно поэтому сторонники теории стационарного состояния заявляют, что жизнь на Земле никогда не возникала, а существовала всегда. В разные геологические эпохи менялись лишь формы жизни. Также они счи­ тают, что и виды животных никогда не возникали, а также сущест­ вовали всегда, что у каждого вида есть лишь две возможности су­ ществования: изменение численности или вымирание.

Строго говоря, данную теорию нельзя относить к концепциям происхождения жизни, поскольку вопрос о происхождении жизни в ней принципиально иестоит жизнь рассматривается как вечно ществующая.

Концепция самопроизвольного зарождения жизни

Данная концепция также зародилась давно и долгое время единственной альтернативной креацнснизму. Идея о самопроиз-

вольном зарождении жизни появилась в результате повседневных наблюдений за тем, как в мусорных кучах, гниющих отбросах по­стоянно появляются личинки, черви, мухи. Поскольку о существо­вании микроорганизмов в те далекие времена не было ничего из­вестно, то считалось, что все низшие организмы появляются путем самозарождения. Ученые Средневековья, например, допускали, что рыбы могли зародиться из ила, мыши — из грязи, мухи — из мяса и т.д. Подобных взглядов придерживались многие известные уче­ные (Аристотель, Парацельс, Коперник, Галилей, Декарт и др.), благодаря авторитету которых концепция самопроизвольного заро­ждения жизни смогла существовать так долго.

Однако начиная с XVII в. стали накапливаться данные, проти­воречащие такому пониманию происхождения жизни. В 1668 г; итальянский естествоиспытатель и врач Ф. Реди провел серию опы­тов, которыми доказал, что белые черви в гниющем мясе есть ни что иное, как личинки мух. Его опыты были простыми и убеди­тельными. В несколько сосудов он положил кусочки мяса. Часть этих сосудов он оставил открытыми, а часть прикрыл материей^ пропускающей воздух. Вскоре в первых сосудах появились личинки мух, а в прикрытых сосудах их не было. Тем самым он доказал не­возможность самозарождения червей из гниющего мяса в отсутст­вие мух. В результате проведенных опытов Реди сформулировал свой знаменитый принцип: «Все живое — от живого». Поэтому Ре­ди стал основоположником концепции биогенеза, утверждавшей, что жизнь возникает только из предшествующей жизни.

Несмотря на убедительность опытов Реди, споры вокруг этой теории продолжались вплоть до середины XIX в., когда знаменитый французский ученый Луи Пастер своими простыми и оригиналь­ными опытами окончательно доказал невозможность самозарожде­ния простых организмов. Опыты Пастера продемонстрировали, что микроорганизмы появляются в органических растворах в силу того, что туда были ранее занесены их зародыши. Если же сосуд с цитат тельной средой оградить от занесения в него микробов, проведя стерилизацию (пастеризацию), то никакого самозарождения не произойдет. Опыты Пастера подтвердили принцип Реди и показали научную несостоятельность концепции спонтанного самозарожде* ния организмов. Но, опровергнув эту концепцию, Пастер, к сожалев нию, не предложил никакой другой идеи. Поэтому в середине XIX в^ наука не могла ничего сказать о том, как возникла жизнь на Земле.

Концепция самозарождения жизни, несмотря на свою ошибочр ность, сыграла позитивную роль в развитии естествознания, поскольку опыты, призванные подтвердить ее, помогли получить богатый эмпи­рический материал для развивающейся биологической науки.

Концепция панспермии

Практически одновременно с опытами Пастера немецким ученым Г. Рихтером была высказана гипотеза о занесении живых сущсств на Землю из космоса, получиьшая позднее название концеп­ ции панспермии (о! греч. ран — весь, арегта — семя). Согласно» этой гипотезе жизнь в виде «семян» широко распространена в космосе, откуда зародыши простых организмов могли попасть в земные условия вместе с метеоритами и космической пылью и дать начало эволюции всего живого, породив таким образом все многообразие земной жизни. То есть данная теория допускала возможность возникновения жизни в разное время в разных частях Галактики. тики и перенесения ее на Землю тем или иным способом. Основную идею концепции панспермии разделяли крупнейшие ученые конца XIX и. У. Томсон (барон Кельвин), Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский и др.

что

В 1908 г. шведский химик С. Аррениус выдвинул схожую гипо­ тезу происхождения жизни из космоса. Он высказал мысль, I зародыши жизни вечно существуют во Вселенной, движутся в кос- мическом пространстве под влиянием световых лучей и, оседая на поверхности планет, дают начало жизни на них. Жизнь на нашей Земле начала свое развитие тогда, когда на нее из Космоса попали зародыши жизни. I Концепция панспермии была поддержана многими известными учеными, что способствовало ее широкому распространению. До- вольно большое число сторонников имеет эта концепция и в наши дни. Так. американские астрономы, изучая газовую туманность, отстоящую от Земли на 25 тысяч световых лет, нашли в ее спектре .и следы аминокислот и других органических веществ. В начале 1980-х гг. американские исследователи обнаружили в Антарктиде осколок породы, выбиюй когда-то с поверхности Марса крупным метеори- том. При помощи элскфонного микроскопа в этом камне были обнаружены окаменевшие останки микроорганизмов, похожие на земные бактерии. Это говорит о том, что в прошлом на Марсе сущест­ вовала примитивная жизнь, может быть, она есть там и сейчас.

Тем не менее, серьезных аргументов в пользу концепции пан­спермии нет. При этом существуют серьезные доводы против нее. Дело в том, что, хотя спектр возможных условий для существова­ния живых организмов достаточно широк, все же считается, что они должны погибнуть в космосе под действием ультрафиолетовых и космических лучей.

Были попытки опровергнуть это положение. Так, голландский ученый М. Гринберг считал, что на нашу планету жизнь была зане­сена кометами. По его мнению, живые клетки зародились в газовых

хвостах комет. Поэтому он попытался воспроизвести в лаборатор­ных условиях кометную среду. Для этого Гринбер! охладил смесь метана, окиси углерода и воды до температуры -269^аС и подверг ультрафиолетовому облучению. В результате он получил сложные органические соединения. Однако опыты Гринберга не шменили мнения большинства ученых.

Космическая гипотеза возникновения жизни получила продол­жение в настоящее время в исследованиях Ф. Хойла. предполо­жившего, что микроорганизмы образуются в космическом про­странстве, захватываются кометами и рассеиваются в пространстве планет, мимо которых они пролетают. Но предопределенность та­кого возникновения жизни чрезвычайно мала, а одна только воз­можность — это не самое главное условие для зарождения живого в Космосе или на Земле.

Некоторая часть ученых склоняется к версии о «направленной» панспермии. Она довольно неплохо изложена в произведениях не­которых писателей-фантастов. Суть ее — в признании существова­ния некой галактической сверхцнвилизацни сеятелей, которые соз­дают и распространяют семена жизни по разным планетам. Среди ее сторонников — английский профессор Ф. Крик, один из перво­открывателей структуры гена, предложивший свою гипотезу еше в 1971 г. К сожалению, при всей своей привлекательности эта версия не выдерживает строгой научной критики, у нас нет ни одного до­вода в ее пользу.

Кроме того, все существующие варианты концепции панспер­мии в конечном счете не решают проблемы происхождения жизни. Они лишь выносят ее за пределы Земли, однако оставляют откры­тым вопрос: если жизнь была занесена на Землю ш космоса, то где

и как она возникла там.

Концепция случайного однократного происхождения жизни

Неспособность рассмотренных теорий и концепций дать убеди­тельное и аргументированное объяснение происхождения жшни привели в начале XX в. к дальнейшим поискам решения данной проблемы. В контексте этих поисков американский генетик Г. Меллер выдвинул гипотезу о случайном возникновении первич­ной молекулы живого вещества. Суть гипотезы заключается в пред­положении, что живая молекула, способная размножаться, могла возникнуть случайно в результате взаимодейавия простейших ве­ществ. Он считает, что элементарная единица наследственности — ген — является основой жизни. И жизнь в форме гена, по его мне­нию, возникла путем случайного сочетания атомных группировок и

молекул, существовавших в водах первичного океана. Гипотеза слу­чайного однократного появления жизни получила особенно широ­кое распространение среди генетиков после открытия роли ДНК в явлениях наследственности.

Тем не менее, идея случайного возникновения ДНК до сих пор широко распространена в научной литературе, хотя вероятность такого события очень мала. При всей своей внешней наукообразно­ сти эта концепция по степени доказательности не отличается от концепции креационизма, поэтому в наши дни у нее практически не осталось сторонников.

Концепция биохимической эволюции. Теория А.И. Опарина

Одним из главным препятствий, стоявших в начале XX в. на пути решения проблемы возникновения жизни, было господство­вавшее в науке и основанное на повседневном опыте убеждение, что между органическими и неорганическими соединениями не существует никакой взаимосвязи. До середины XX в. многие уче­ные полагали, что органические соединения могут возникать только в живом организме, биогенно. Именно поэтому их назвали органи­ческими соединениями в противоположность веществам неживой природы — минералам, которые получили название неорганических соединений. Считалось, что природа неорганических веществ со­вершенно иная, а поэтому возникновение даже простейших орга­низмов из неорганических веществ принципиально невозможно. Однако после того, как из обычных химических элементов было синтезировано первое органическое соединение, представление о двух разных сущностях органических и неорганических вешеств оказалось несостоятельным. В результате этого открытия возникли органическая химия и биохимия, изучающие химические процессы в живых организмах.

Кроме того, данное научное открытие позволило создать кон­цепцию биохимической эволюции, согласно которой жизнь на Зем­ле возникла в результате физических и химических процессов. Ис­ходную основу этой гипотезы составили данные о сходстве веществ, входящих в состав растений и животных, а также о возможности в лабораторных условиях синтезировать органические вещества, со­ставляющие белок.

Эти открытия легли в основу концепции А.И. Опарина, опуб­ликованной в 1924 г. в книге «Происхождение жизни», где была изложена принципиально новая гипотеза происхождения жизни. Он выступил с утверждением, что принцип Реди, вводящий моно­полию биотического синтеза органических веществ, справедлив

254

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.

Появление жизни он рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень — биохимическую эволюцию. Суть ги­ потезы сводилась к следующему: зарождение жизни на Земле — длительный эволюционный процесс станоатения живой материи в недрах неживой. И произошло это путем химической эволюции, в результате которой простейшие органические вещества образова­ лись из неорганических под₁а]ИЯНием.сильнодействуюищх4⁾Н^ий*свЧ химических факторов.

Рассматривая проблему возникновения жизни путем биохими­ ческой эволюции. Опарин выселяет гр и этапа перехода'ОТ'нежи­ вой материи к живой:

1) этап синтеза исходный органических соединений из неорга­нических веществ в условиях-первичной атмосферы ранней Земли;'

2) этап формирования в первичных водоемах Земли из нако­пившихся органических соединений биополимеров, липидов. угле­водородов:

3) .нап самоорганизации сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершено вованме процессов обмена веществом и воспроизводства органических струк⁴-тур, завершающееся образованием простейшей клетки.

На первом этапе, около 4 млрд. .чет нашд, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотический синтез углероди­стых соединений и их последующая предбиологическая эволюция.. Для этою периода эволюции Земли были характерны многочислен­ные вулканические извержения с выбросом огромного количества¹ раскаленной лавы. По мере остывания планеты водяные пары, на­ходившиеся в атмосфере, конденсировались и обрушивались на Землю ливнями, образуя огромные водные пространства. Посколь­ку поверхность Земли оставалась все-таки горячей, вода испар*?. лась, а затем, охлаждаясь в верхних слоях атмосферы, вновь выпаг дала ил поверхность планеты. Эти процессы продолжались многие, миллионы лет. Таким образом в водах первичного океана были рас­творены различные соли. Кроме того, в него попадали и органиче­ские соединения: сахара, аминокислоты, азотистые основания, ор­ганические кислоты и т.п., непрерывно образующиеся .в,атмосфере под действием ультрафиолетового долудория высокой температуры активной-вулканической деятельности

Первичный океан, вероятно, содержал в растворенном в виде ращличные органические и неорганические молекулы, попавшие в него

из атмосферы и поверхностных слоев Земли. Концентрация органи­ческих соединений постоянно увеличивалась, и в конце концов воды океана стали «бульоном» из белковополобных веществ — пептидов,

На втором этапе, 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 (доклсточные предки Живых организмов). Итогом эволюции сложных органических ве­ществ стало появление коацерватов, или коацерватных капель.

Коацерваты — это комплексы коллоидных частиц, раствор ко­торых разделяется на два слоя: слой, богатый коллоидными части­цами, и жидкость, почти свободную от них. Коацерваты обладали способностью поглотать различные вещества, растворенные в во­дах первичного океана. В результате внутреннее строение коацерва­тов менялось, что вело или к их распаду, или к накоплению ве­ществ, т.е. к росту и изменению химического состава, повышающе­го их устойчивость в постоянно меняющихся условиях. Теория био­химической эволюции рассматривает коацерваты как прсдбиологи-ческие системы, представляющие собой группы молекул, окружен­ные водной оболочкой. Коацерваты ока^ались способными погло-шать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечило возможность первичного обмена вешеств со средой.

На третьем этапе, как предполагал Опарин, начал действовать естественный отбор. В массе коацерватных капель происходил от­бор коацерватов, наиболее устойчивых к данным условиям среды. Процесс отбора шел в течение многих миллионов лет, в результате чего сохранилась только малая часть коацерватов. Однако сохра­нившиеся коацерватные капли обладали способностью к первично­му метаболизму. А обмен веществ — первейшее свойство жизни. Вместе с тем, достигнув определенных размеров, материнская капля могла распадаться на дочерние, которые сохраняли особенности материнской структуры Таким образом, можно говорить о приобре­тении коацерватами свойства самовоспроизведения — одного из важнейших признаков жизни. По сути дела, на этой стадии коаиер-ваты превратились в простейшие живые организмы.

Дальнейшая эволюция этих предбиологических структур была возможна только при усложнении обменных и энергетическлк про­цессов внутри коацервата. Более прочную изоляцию внутренней среды от внешних воздействий могла обеспечить только мембрана. Вокруг коаиерватов, богатых органическими соединениями, воз­никли слои липиДой, отделившие коацерват от окружающей его водной среды. В процессе эволюции липиды трансформировались в

256

наружную мембрану, что значительно поклеило жизнеспособность

и устойчивость организмов. Появление мембраны предопределило направление дальнейшей химической эволюции по пути все более со­вершенной саморегуляции вплоть до возникновения первых клеток.

Поп>лярность концепции Опарина в научном мире очень вели­ка. Однако большая часть экспериментов, развивших идеи ученого, была проведена только в 1950—1960-е гг. Так, в 1953 г. С. Миллер в ряде экспериментов смоделировал условия, существовавшие на раннем этапе эволюции Земли. В сделанной им установке были синтезированы многие аминокислоты, аденин. простые сахара и другие вещества, имеющие важное и иол отче с кое значение. После этого Л. Орджел в сходном эксперименте синтезировал простыв нуклеиновые кислоты. Но несмотря на экспериментальную обосно­ванность и теоретическую убедительность, концепция Опарина имеет как сильные, так и слабые стороны.

Сальной стороной концепции является достаточно точное эспе-риментальное обоснование химической эволюции, согласно кото­рой зарождение жизни является закономерным результатом добио-логической эволюции материи. Убедительным аргументом в пользу этой концепции является также возможность экспериментальной проверки ее основных положении. Это касается не только лабора­торного воспроизиедения предполагаемых физико-химических ус­ловий первичной Земли, но и коацерватов. имитирующих докле-точных предков и их функциональные особенности.

Слабой стороной концепции является невозможность объясне­ния самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам, ведь ни в одном из поставленных эксперимен­тов получить жизнь так и не удалось. Кроме того, Опарин допускал возможность самовоспроизведения коацерватов в отсутствие моле­кулярных систем с функциями генетического кода. Иными слова­ми, без реконструкции эволюции механизма наследственности объ­яснить процесс скачка от нежилого к живому не удается. Поэтому сегодня считается, что решить эту сложнейшую проблему биологии без привлечения концепции открытых каталитических систем, моле­кулярной биологии, а также кибернетики не получится.