Глава 3. Сущность и определение жизни.

3.1. Сущность и определение жизни.

Представленные выше гипотезы и теории дают нам возможность понять сущность биологических процессов, необходимых для появления живых организмов. На обыденном уровне мы все интуитивно понимаем, что представляет собой живое, а что - мертвое. Однако при попытке определить сущность жизни как на обыденном, так и на научном уровне, возникают большие трудности, так как сущность жизни и в том и в другом случае понимается и определяется различным образом. Большинство ученых убеждены, что жизнь представляет собой особую форму существования материального мира. До конца 50-х годов в научной и философской литературе общепринятым было знаменитое определение Ф. Энгельса, которое утверждало, что жизнь есть способ существования белковых тел, состоящий в постоянном самообновлении химических составных частей этого тела. Но к этому времени стало очевидным, что субстратная основа жизни не сводится только к белкам, а функциональная - к присущему им обмену веществ. Интересны также определения жизни Э. Шредингера как апериодического кристалла, Г. Югая как космической организованности материи, а также определение, подчеркивающее энергетический аспект жизни - противостояние энтропийным процессам. Есть аксиоматические определения жизни, называющие ее важнейшие черты. Таково определение А.И. Опарина, упоминавшееся выше. К этой группе относят и определение Б.М. Медникова, называющее жизнью активное, идущее с затратой энергии, поддержание и воспроизведение специфических структур, функционирование которых описывают следующие положения: 1) живые организмы характеризуются наличием фенотипа и генотипа; 2) генетические программы не возникают заново, а реплицируются матричным способом; 3) в процессе репликации неизбежны ошибки на микроуровне, случайные и непредсказуемые изменения генетических программ (мутации); 4) в ходе формирования фенотипа эти изменения многократно усиливаются, что делает возможным их селекцию со стороны факторов внешней среды. Современная биология в вопросе о сущности живого все чаще идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом акцент делается на то, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни. Итак, что такое живое и чем оно отличается от неживого? К числу свойств живого обычно относят следующие: - живые организмы характеризуются сложной упорядоченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах; - живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию; - живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Способность реагировать на внешнее раздражение - универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных; - живые организмы не только изменяются, но и усложняются; - все живое размножается. Способность к самовоспроизведению - один из самых главных признаков жизни, так как в этом проявляется действие механизма наследственности и изменчивости, определяющих эволюцию всех видов живой природы; - живые организмы передают потомкам заложенную в них информацию, необходимую для жизни, развития и размножения. Эта информация содержится в генах - единицах наследственности, мельчайших внутриклеточных структурах. Генетический материал определяет направление развития организма. Вот почему потомки похожи на родителей. Однако эта информация в процессе передачи несколько изменяется, искажается. В связи с этим потомки не только похожи на родителей, но и отличаются от них; - живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания и соответствуют своему образу жизни. В обобщенном и упрощенном варианте все отмеченное можно выразить в выводе, что все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе, а неживые тела не питаются, не дышат, не растут и не размножаются. Однако строго научное разграничение живого и неживого встречает определенные трудности. Имеются как бы переходные формы от неживого к живому. Так, например, вирусы вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть наследственный аппарат, но отсутствуют основные необходимые для обмена веществ ферменты, и поэтому они могут расти и размножаться, лишь проникая в клетки другого организма и используя его ферментные системы. Поэтому, в зависимости от того, какой признак живого мы считаем самым важным, мы относим вирусы к живым системам или нет. Естественно, что в определении жизни должны быть зафиксированы все эти функциональные признаки. Поэтому можно предложить следующее определение: жизнь -высшая из природных форм движения материи, она характеризуется самообновлением, саморегуляцией и самовоспроизведением разноуровневых открытых систем, вещественную основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфороорганические соединения. Признаками жизни являются: противостояние энтропийным процессам, обмен веществ с окружающей средой, воспроизводство на основе генетического кода и молекулярная хиральность.

3.2.Основные этапы возникновения жизни. По современным представлениям основными этапами возникновения и развития жизни являются: 1. Образование первичной атмосферы из газов, послуживших “сырьем“ для синтеза органических веществ. 2. Абиогенное образование органических веществ, в том числе мономеров - аминокислот, мононуклеотидов, сахаров. 3. Полимеризация мономеров в полимеры - полипептиды, полинуклеотиды. 4. Образование протобионтов - предбиологических форм сложного химического состава, имеющих некоторые свойства живых существ. 5. Возникновение примитивных клеток - простейших живых форм. 6. Биологическая эволюция возникших живых существ. Возраст Земли, как и всей Солнечной системы, около 4,6 млрд. лет, поэтому вряд ли жизнь старше этого срока. Еще Ч. Дарвин заметил, что жизнь может возникнуть только при отсутствии жизни. Вездесущие микроорганизмы, распространенные сейчас на Земле,  использовали бы все возникающие вновь органические вещества. Поэтому возникновение жизни в привычных нам земных условиях невозможно.  Одним из условий возникновения жизни на Земле было отсутствие кислорода в атмосфере, т.к. кислород, взаимодействуя с органическими веществами, разрушает их. В первичной атмосфере восстановительного типа содержались углекислый газ, водород, азот, аммиак, метан, водяные пары, синильная кислота. Источниками энергии являлись ультрафиолетовое, космическое излучения, тепловая и электрическая энергии. В этих условиях происходили химические реакции с образованием самых разнообразных сложных соединений, в том числе и органических. В 1953 г. Стенли Миллер и Юри экспериментально в лабораторных условиях подтвердили возможность абиогенного синтеза органических веществ: карбоновых кислот, аминокислот, азотистых оснований, АТФ. Органические вещества накапливались в водах первичного океана в виде первичного бульона или адсорбировались на поверхности глинистых отложений, что создавало лучшие условия для полимеризации. Следующим этапом на пути возникновения жизни была полимеризация низкомолекулярных соединений с образованием полипептидов и полинуклеотидов. Реакция полимеризации первичных звеньев в водном растворе не идет, т.к. при соеди-нении друг с другом аминокислот или нуклеотидов отщепляется молекула воды. Есть предположение, что первичный синтез биополимеров шел при замораживании “первичного бульона” или же при нагревании его сухого остатка. К. Фокс, нагревая до 130° сухую смесь аминокислот, показал, что в этом случае реакция полимеризации происходит. Вода при этом испаряется и получается искусственный протеиноид. Протеиноиды представляют собой белковоподобные молекулы со случайной последовательностью аминокислот. Протеиноиды, растворенные в воде, обладают незначительной каталитической активностью, т.е. обладают свойствами ферментов. Есть предположение, что аминокислоты “первичного бульона” концентрировались в испаряющихся водоемах, а затем под действием солнечных лучей высушивались и полимеризовались, образуя белковоподобные вещества.  Следующий этап - это возникновение фазовообособленных открытых систем - предбиологических форм сложного химического состава, или протобионтов. В силу особых физико-химических свойств молекул воды и органических соединений, водныерастворы последних могут разделяться на две фазы. Так, голландский ученый Белгендерг де Ионг, используя смесь водных растворов желатина и гуммиарабика, наблюдал процесс образования комплексов, названных им “коацерватные” капли. Капли были неодинаковы по размерам, они сливались, увеличивались в размерах за счет поступления органических веществ, обладали способностью к избирательному обмену с окружающей средой, т.е. являлись открытыми системами.  Другая модель возникновения протобионтов, предложенная К. Фоксом, - модель протеиноидов. Эти структуры назвали микросферами. Коацерватные капли и микросферы могут рассматриваться как модель протобионта (т.е. предшественника клетки).  Протобионты представляются как обособленные от окружающей среды, открытые макромолекулярные системы, способные к примитивным формам роста, размножения, обмена веществ и предбиологическому химическому отбору. Наиболее важным этапом в происхождении жизни было возникновение примитивных живых существ - протоклеток. Эволюция протобионтов по пути возникновения протоклеток шла по трем главным направлениям: 1) совершенствование каталитической функции белков. Развивалось такое свойство биологического катализа, как специфичность. 2) возникновение механизма самовоспроизведения себе подобных, реакций матричного синтеза. 3) возникновение биологических мембран с избирательной проницаемостью и стабилизация параметров обмена веществ. Протоклетки в большом количестве накапливались в водоемах и опускались на дно, где оказывались защищенными от губительного действия ультрафиолетовых лучей. Так, американский ученый Неги обнаружил органические микроструктуры, имеющие возраст 3,7 млрд.  лет. Подобные структуры были найдены в южноафриканских осадочных породах, возраст которых 2,2 млрд. лет. Все эти данные и приводят к мнению, что эволюция протоклеток продолжалась в течение огромного периода времени, начиная от первых протоклеток, возникших 3,7 млрд. лет тому назад. В эту раннюю эпоху у протоклеток появились и эволюционировали генетический и белоксинтезирующий аппараты, и также наследуемый обмен веществ. В проблеме происхождения жизни есть много не решенных до конца вопросов: 1) возникновение полупроницаемых мембран клетки; 2) возникновение рибосом, 3) возникновение генетического кода, который универсален для всего живого на Земле; 4) возникновение энергетического механизма клетки с использованием АТФ и т.д.  На возникновение жизни потребовалось относительно мало времени, если учесть, что возраст планеты 4,6 млрд. лет. В промежутке времени между 3,7 и 2,9 млрд. лет появились первые гетеротрофные организмы, на смену им пришли фотосинтезирующие. Появление их было связано с тем, что запасы органических веществ в первичном океане были полностью исчерпаны и обменные процессы у части живых существ переориентировались на усвоение энергии солнечного света. Это были прокариоты типа сине-зеленых водорослей и бактерий. И лишь за 1500 млн. лет до наших дней возникли первые эукариоты - как гетеротрофные, так и автотрофные организмы, давшие начало современным группам живых существ. 3.3. Основные этапы эволюции живых существ. В настоящее время общепризнано, что вскоре после возникновения жизни она разделилась на три корня, которые представлены надцарствами архебактерий, эубактерий и эукариот. Больше всего черт исходных протоорганизмов сохранили архебактерии. Они обитают в бескислородных илах, концентрированных растворах соли, горячих вулканических источниках. Согласно симбиотической гипотезе, основой в эволюции клетки эукариотического типа послужил анаэробный прокариот. Надцарство эукариот разделилось на царства животных, растений, грибов.  Рассмотрим основные пути эволюции животных. Первые остатки животных находят в морских отложениях протерозоя. Первые многоклеточные животные представлены сразу несколькими типами: губки, кишечнополостные, членистоногие. В морях кембрийского периода уже существовали все основные типы животных (см. табл. 8) В силурийский период появились животные, дышащие атмосферным воздухом. Первыми обитателями суши были паукообразные, напоминавшие по строению современных скорпионов. Уже в девонском периоде появились все современные подклассы рыб. От древних костных рыб произошли кистеперые, двоякодышащие и современные костистые рыбы. Кистепёрые дали начало первым земноводным (стегоцефалам). В каменно-угольном периоде появляются первые пресмыкающиеся, что определило начало активного завоевания суши позвоночными. Одной из ветвей древних рептилий являлись котилозавры - предки современных пресмыкающихся. До наших дней из триасовых рептилий дожили гаттерия и черепахи. Особенно сильного развития достигают морские рептилии в юрском периоде (ихтиозавры, плезиозавры). Возникают птерозавры, освоившие воздушную среду. В меловом периоде продолжается специализация рептилий, возникают гигантские растительноядные динозавры, встречаются летающие ящеры с размахом крыльев до 20 м. В условиях похолодания исключительные преимущества получают теплокровные животные - птицы, млекопитающие. Кайнозой - время расцвета насекомых, птиц, млекопитающих. Исходной группой для млекопитающих служили зверозубые ящеры. Приматы в своём происхождении связаны с древними насекомоядными. Одна из групп обезьян - дриопитеки - дала начало ветви, ведущей к роду человек.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вопрос зарождения жизни - один из самых животрепещущих вопросов в современной науке. Органическая жизнь прекрасно умеет воспроизводить себя, но ведь когда-то она должна была появиться из неживой, косной материи. Как это произошло - неясно до сих пор.

Все приведенные здесь теории и гипотезы являются лишь малой частью того огромного количества предполагаемых ответов на величайшую загадку человечества – загадку происхождения жизни на Земле, которые существуют на сегодняшний день в мире. Нам остается лишь надеяться на скорейшее разрешение этой проблемы. Возможно, найдя ответ на вопрос, мы откроем для себя другой мир, раскроем недостающие звенья в цепи появления и развития человечества, узнаем, наконец, свое прошлое. К сожалению, пока каждый человек может лишь выбирать, какой идее ему лучше придерживаться, что ему ближе.

На сегодняшний день наиболее реалистичной кажется теория Опарина-Холдейна, но никто не знает, насколько она правдоподобна. Ведь эволюционная теория Ч. Дарвина тоже была неопровержимой долгий промежуток времени, но сейчас существует огромное количество фактов и доказательств ее неправильности.

Несмотря на такое разнообразие и огромное количество различных гипотез и теорий о причине возникновения жизни на Земле, ни одна из них еще не доказана и не утверждена окончательно. Из этого следует, что в истории человечества до сих пор есть пробелы, остается очень много неизученного. Существуют такие тайны и загадки, смысл которых мы не можем постигнуть.