Слайд. Концепция биохимической эволюции. Биохимик а.И. Опарин.

Жизнь есть закономерный результат эволюции материи во Вселенной и естественного отбора, спонтанно образующихся в ходе химической эволюции веществ обособленных термодинамических открытых многомолекулярных систем.

Подводим некоторые промежуточные итоги. Ситуация, которая возникла в начале 20 века – переходим к современной науке. Концепция креационизма, однажды возникнув, не вступала в прямое противоречие с естественнонаучным объяснением происхождения жизни, потому что ни по целям, ни по задачам, ни по предъявленной информации они не взаимоисключали друг друга. Концепция самопроизвольного зарождения жизни была отвергнута на основании эмпирического материала. Концепция панспермии на большом эмпирическом материале выстроена быть не могла. И многие исследователи стали считать проблему нерешаемой средствами естествознания. Но А.И. Опарин будучи биохимиком, исходя из сугубо теоретических предположений (это важно – "на кончике пера"), а именно из субстратного подхода, высказал убеждение, что жизнь есть закономерный результат эволюции материи во Вселенной и действующего естественного отбора, спонтанно образующихся в ходе химических процессов обособленных термодинамических открытых многомолекулярных систем.

Слайд 21. Концепция биохимической эволюции.

Основные положения:

– Жизнь есть закономерный результат эволюции материи во Вселенной.

– На Земле имелись условия, значимые для возникновения жизни: разнообразие простых соединений в океанах, большая площадь поверхности Земли, доступность энергии и разнообразие ее источников, а также огромные масштабы времени.

– Невозможно возникновение жизни в результате химической эволюции, протекающей на молекулярном уровне. Для перехода от химической эволюции к биологической необходимо образование особых микроструктур. Коацерваты (от латинского coacervus - сгусток, куча).

Методологический смысл основных положений концепции Опарина

1. Жизнь есть закономерный результат эволюции материи во Вселенной. Вспомните тему, посвященную современной космогонии. Теоретические исследования астрофизиков установили удивительную малопонятную взаимосвязь размеров галактики и времени её существования с момента большого взрыва с основными физическими константами (скоростью света, зарядом электрона, постоянная планка, масса элементарных частиц – протона, нейтрона) и постоянными (сильного, слабого, электромагнитного, гравитационного взаимодействий). По Опарину, весь ход эволюции во Вселенной включая образование биологически значимых молекул надо рассматривать как предпосылку возникновения жизни – это единый закономерный процесс.

В концепции биохимической эволюции устанавливается, что все необходимые для возникновения живого биологически значимые органические соединения могу образовываться в абиогенных условиях, то есть без участия живого – только на основе общих физико-химических закономерностей превращения веществ. Если принять гипотезу происхождения планет Солнечной системы из холодного газопылевого облака, и тогда Земле 4,6-4,7 млрд лет, на первых этапах формирования Земли тяжелые элементы перемещались к её центру, более легкие оставались на поверхности. Сначала температура была достаточно высокой, потом по мере остывания земли углерод и тугоплавкие металлы концентрировались и образовывали земную кору. В результате вулканической деятельности, непрерывных подвижек, сжатия, вызванного охлаждением, происходило образование поверхности земли. Легкие газы (водород, гелий, азот, аргон) уходили из атмосферы из-за недостаточности гравитационного поля, а простые соединения (вода, аммиак, двуокись водорода, метан) удерживались. Металлы, которые способны окислять элементы, соединяться с кислородом не могли, потому что в атмосфере Земли не было свободного кислорода. Это принципиально, что атмосфера первичной Земли носила восстановительный характер, то есть состояла из свободного водорода и его соединений. Современный окислительный характер атмосферы обусловлен присутствием кислорода, который является продуктом жизнедеятельности растений.

До середины 20-го века многие ученые считали, что органическое может возникать только в живом организме – именно поэтому их так и назвали – органические вещества (в противоположность вещества неживой природы – неорганическим). Но сегодня уже доказано, что органические вещества можно синтезировать без присутствия живых объектов. И концепция биохимической эволюции доказывает, что органические вещества могли создаваться в первичном Мировом океане из более простых соединений в абиогенных условиях, то есть без участия живого – только на основе общих физико-химических закономерностей превращения веществ. Необходимым условием для возникновения жизни является отсутствие кислорода, отсутствие биосферы, потому что она вовлекает все вещества в более интенсивный круговорот веществ и это делает невозможным протекание процессов, характерных для предбиологической эволюции. То есть однажды возникшая жизнь отрицает условия, в которых она создавалась, создавалась природой, по природным законам. И действительно лабораторные опыты показывают, что органические вещества гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в окислительной. И первичную энергию для реакции синтеза доставляли разнообразные источники: интенсивная солнечная радиация, которая попадала на Землю в условиях отсутствия слоя озона, и механическое движение – продолжались подвижки земной коры, и тепловая энергия – все условия, существовавшие на первичной земле, были значимы для формирования органических соединений.

2. На Земле имелись условия, значимые для возникновения жизни: разнообразие простых соединений в океанах, большая площадь поверхности Земли, доступность энергии и разнообразие ее источников, а также огромные масштабы времени. Условия первичной Земли позволяют предположить, что жизнь возникла в океанах, где постепенно накапливались в результате химических реакций органические вещества. Простых соединений в океанах было растворено много разных, и их концентрация в разных частях мирового океана тоже была различной. Площадь поверхности земли огромна. Разные виды энергии доступны, и в огромных масштабах времени могли происходить постепенные процессы отбора на устойчивость. Не надо предполагать какую-то цель предбиологической эволюции. Этой целью мог быть простейший отбор более устойчивых сформировавшихся объектов, в сравнении с неустойчивыми они получали поддержку.

3. Невозможно возникновение жизни в результате химической эволюции, протекающей на молекулярном уровне. Для перехода от химической эволюции к биологической необходимо образование особых микроструктур. Коацерваты (от латинского coacervus - сгусток, куча).

Нельзя объяснить возникновение жизни, если мы будем смотреть только на результаты химической эволюции. Опарин полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам. Для перехода от химической эволюции к биологической необходимо образование особых микроструктур, потому что никакая целесообразность строения, никакая согласованность процессов, характерная для живых систем не может возникнуть без предбиологической эволюции целостных макрообъектов. Что это за объекты? Надо вспомнить, что белки способны притягивать к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку, то есть белки способны создавать коллоидные гидрофильные комплексы. Эти комплексы могут обособляться от всей массы воды и образовывать эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом приводило к отделению коллоидов от водной среды – этот процесс Опарин назвал коацервацией, а сами объекты – коацерваты (от лат. сгусток, куча). Коацерваты были способны поглощать из окружающей среды различные вещества. Они внутри этой капли вступали в взаимодействие с соединениями самой этой капли – она увеличивалась в размерах (первичный процесс ассимиляции). Но там же могли происходить и процессы распада и выделения продуктов распада, соотношение между этими процессами у разных коацерватов были не одинаковы. Как я уже сказала, состав определенного коацервата зависел от состава среды, поэтому мировой океан имел первичный бульон различного химического состава. Эта база для предбиологического отбора среди коацерватов, отбора на устойчивость. И если на границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов (сложные углеводороды, которые сегодня слагают клеточные мембраны) могла возникнуть примитивная клеточная мембрана, обеспечивающая коацерватам стабильность. А если в коацерват включилась молекула, способная к самовоспроизведению, то мы модем уже вести речь о примитивной клетке.

Примерно такая последовательность событий согласно концепции биохимической эволюции должна была привести к возникновению примитивного самовоспроизводящегося организма.

СЛАЙД 22. А.И. Опарин считает, что роль случая велика, но к случаю не сводится все решение проблемы. При рассмотрении вопроса на более высоком уровне, когда сама атмосфера есть часть целого, Опарин постулирует необходимый характер возникновения и по общим методологическим посылкам отвергает абсолютизацию роли случая.

В чем трудности такого подхода? Первая трудность – это понимание соотношения случайности и необходимости. Альтернативные концепции биохимической эволюции гипотезы постулируют либо предопределенный характер возникновения первичных организмов, либо абсолютизируют случай. Сам Опарин очень четко фиксировал проблему: почти все концепции происхождения отличаются методологической слабостью – не отвечают на вопрос: «возникла жизнь случайно или закономерно?». Опарин прямо указывал, что жизнь возникла закономерно, но использовал в обосновании диалектический подход. Он считал, что роль случая велика. Например, какой состав коацервата в каких частях мирового океана. Но нельзя всё сводить к случаю. Если мы рассматриваем проблему на более высоком уровне, на уровне целого и рассматриваем диалектику части и целого, мы можем объяснить, как случайные процессы вели к формированию закономерности. На каждом этапе отбора мы можем увидеть соотношение частей внутри целого, а целым мы можем называть и коацерват, и на более высоком уровне весь набор предбиологических процессов. Опарин по общим методологическим посылкам, а не на основании каких-нибудь данных, отвергает абсолютизацию роли случая. Он показывает, что не применима математическая вероятность. Если мы пытаемся определить, с какой вероятностью возникла жизнь, то мы не можем это просчитать, потому что жизнь развивалась как цепочка последовательных преобразований. Для каждого шага нам пришлось бы тогда рассчитывать вероятность, что невозможно, потому что и условия изменились, и объекты, которые эволюционировали, не сохранились до настоящего. Поэтому, когда сейчас мы имеем дело с известными нам формами жизни, и мы смотрим в прошлое и пытаемся ответить на вопрос, как они возникли, нам кажется, что весь процесс происхождения жизни предопределен. Опарин показывает, что нужно диалектически относится к случайности и к необходимости, но современные ученые сталкиваются с теми же проблемами: либо абсолютизирование роли случая, либо стремление сослаться на цель (телеология).

Следующая лекция будет посвящена современному вступлению проблемы происхождении жизни.

1 Фронтиспис – рисунок перед первой страницей книги или вверху страницы перед началом текста.

2 Эпистемология – теория познания