СЕ. Семинар 4. Девяткин Олег. 210 группа-1

Девяткин Олег Александрович

Юридический факультет МГУ, 210 группа.

Дата семинара: 22 апреля 2020 г.

Семинар 4. Тема 4. Образы мира живого.

Проблема происхождение жизни.

Проблема происхождения жизни

Проблема происхождения жизни является очень актуальной среди ученых¹. Рассматривая ее, Армен Мулкиджанян - доктор биологических наук, профессор факультета биоинженерии и биоинформатики, старший научный сотрудник НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского МГУ им. М. В. Ломоносова рассуждает о возможности происхождения жизни и об основных проблемах, связанных с этим².

Проблема зарождения и происхождения жизни на земле и в космосе внутренне связанна с проблемой, что такое жизнь. По этому поводу часто идут философские дискуссии. Технически эта проблема решается следующим образом: дело в том, что жизнь начинается в том момент, когда появляется первые организмы способные самореплицироваться, то есть воспроизводить сами себя, так же как это делают люди и бактерии. Этот момент, в котором живой организм может копировать сам себя, то он живой, до этого момента это еще не жизнь.  Жизнь – это когда организм может сам себя воспроизводить. Следующий вопрос такой: как устроен химически может себя воспроизводить организм, который должен сам себя воспроизводить? Здесь есть 2 подхода. В первом ученые исходят из биологических макромолекул. Мы рассматриваем сложные молекулы, которые участвуют в этом процессе в нашем организме и в организме простейших существ рассматриваются. 

В основе современных научных представлений о происхождении жизни лежит гипотеза биохимической эволюции Опарина — Холдейна.

Как могла завестись новая жизнь? По этому поводу были разнообразные гипотезы и есть знаменитая цитата из частного письма Ч. Дарвина: «Если представить маленький пруд с разнообразными химическими веществами и под воздействия света, тепла там могли завестись первые белковые молекулы». Научный подход к этой теме сводится к этой цитате. В своих книгах Дарвин очень осторожно вообще ничего не писал. В начале 20 века в этой области были исследования. Мне известно исследования, которые проводились в Англии, где физики и химики пытались имитировать некие реакции, которые приводили к получению органических веществ из неорганических³.  

Эти исследования известны и в 1920 году по ним вышла книжка, но странным образом они не имели эффекта. Книжка академика Опарина вышла в России в 1924 году и произвела достаточно большой эффект. Ее перевод вышел только в 1938 году.  С английского перевода отчитывается существование изучения области исследования жизни, потому что Опарин в этой книжке изложил очень подробную гипотезу о том, как могла бы возникнуть жизнь. Он очень четко сформулировал: что все процессы, которые он изложил их можно экспериментально имитировать в лаборатории. И таким образом восстановить последствия реакции, которая могла  привезти к возникновению жизни. Этот месседж был воспринят научным сообществом.

Параллельно с академиком Опариным английский биохимик Холдуин в 1929 году напечатал небольшую статью, где изложил свою гипотезу о происхождении жизни, и то, что он написал в деталях отличается от того, что написал Опарин, но в целом похоже.  Когда Холдейн узнал о существовании книги Опарина, то он охотно признал приоритет книги Опарина.  Поэтому эта классическая теория называется теорией "Опарина - Холдейна". Суть их гипотез была в том, что они предполагали, что на земле была восстановлена атмосфера.  Это химическое понятие, которое говорит о том, что  атмосфера состояла из газов, которые содержат очень много свободных электронов. И в подобном атмосфере ультрафиолетовый свет или грозовые электрические разряды могли приводить к образованию органических молекул и они могли взаимодействовать между собой, усложняться и привезти к образованию белковых тел.

Согласно теории Опарина возникновение жизни на Земле возможно было только в условиях древней атмосферы и отсутствия живых организмов⁴.

На первых этапах своего существования наша Земля представляла собой раскалённый шар.

По мере её остывания постепенно формировалась первичная атмосфера, состоящая из аммиака, метана, углекислого газа, цианистого водорода и паров воды. Ни кислорода, ни озона в атмосфере древней Земли не было. 

При дальнейшем понижении температуры образовался первичный океан. Под действием различных видов энергии (электрические разряды, ядерные реакции, солнечная радиация, извержения вулканов) образовались простые органические соединения: формальдегид, спирты, муравьиная кислота, аминокислоты и т. д.  

Окисление образовавшихся веществ не происходило, так как отсутствовал свободный кислород. Синтезированные вещества в течение десятков миллионов лет постепенно накапливались в древнем океане. Их накопление в итоге привело к образованию однородной массы —  «первичного бульона». По мнению Опарина, именно в «первичном бульоне» и возникла жизнь⁵.

Изучение «снизу-вверх» и «сверху-вниз»

Если сравнивать современные организмы и находя какие-то общие черты между разными организмами, то можно пытаться воспроизвести общего предка. Есть такой подход, который идет «сверху вниз» и таким образом мы получаем какую-то информацию. Она гипотетическая  и основана на анализе существующих и надежных геномных последовательностей. Часть ученый идут «сверху вниз», другая часть «снизу вверх»,  но при этом они не приближаются друг к другу. Мы четко видим ,что у нас есть некое пространство между простейшими самовоспроизводящимися агрегатами РНК и самой первой реконструированной клеткой. Самая первая клетка была достаточной сложным организмом. Как она возникла из простейших агрегатов РНК, это  основной вопрос который ученые пытаются найти подход. Чтобы спускаться «сверху вниз» нужно дать вводную информацию . Обычное преподавание в школах начинается с обсуждения того , что существуют простейшие организмы, бактерии и более сложные организмы

Проблема возникновения живого из неживого

Возникновение живого из неживого традиционно связывают с термином панспермия - дословный перевод «семена повсюду».

Согласно этой гипотезе жизнь занесена на Землю микроорганизмами из открытого космоса путем движения примитивных спор (неизвестно где зародившихся) под действием светового давления.  Настойчиво проповедовал идею панспермии и В.И. Вернадский, который искал признаки живого на метеоритах.

На какое-то время источник жизни был перенесен на Марс – «открытие» каналов породило гипотезу о возможности существования жизни на Марсе, что было крайне важно для эволюционистов: во-первых, невозможность проверки давала место для полета фантазии. Во-вторых, самозарождение жизни на Марсе и само ее существование не только на Земле наносило удар по Священному Писанию. Только в 1976 г. после американской экспедиции на Марс, стало ясно, что Марс пуст: ни каналов, ни органической жизни - однако эволюционизм почти 80 лет опирался и на эту отговорку.

Поскольку идея панспермии имела существенный недостаток - велика вероятность гибели любого живого объекта в открытом космосе от радиации, она была видоизменена.

Новая гипотеза направленной панспермии утверждала, что микроорганизмы, засеявшие Землю, прибыли на беспилотном космическом корабле - посланнике высокоразвитой цивилизации⁶.

Интересно, что автором этой идеи был нобелевский лауреат Ф. Крик, расшифровавший двойную спираль ДНК - человек, лучше других осознающий сложность строения генетического материала и невозможность самозарождения жизни на Земле.

Сложность проблемы возникновения живого из неживого непосредственно связано с ответом на вопрос, что такое жизнь. По этому поводу идут бурные дискуссии, по большей части философского содержания. Общепризнанного строгого определения на самом деле нет, но среди работающих исследователей есть договоренность считать, что жизнь могла «начаться» с появления первых организмов, способных достаточно точно воспроизводить самих себя — реплицироваться, что умеют делать все живые существа. Способность копировать себя предполагает комплексные структуры, которые вряд ли могли возникнуть просто в результате случайного усложнения органических молекул, должен был быть какой-то отбор.

Следующий вопрос: из чего мог быть сделан первый организм, способный себя воспроизводить? Здесь есть два подхода. Одни ученые исходят из биологических макромолекул, обеспечивающих воспроизведение ныне существующих организмов. Существуют три основных типа биологических макромолекул — это белки, полимеры рибонуклеиновой кислоты (РНК) и полимеры дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В наших клетках воспроизведение идет за счет того, что реплицируются, удваиваются молекулы ДНК. Однако у самых первых организмов в качестве несущих информацию молекул могли выступать молекулы РНК, что впервые предположил академик Андрей Николаевич Белозерский в 1957 году.

В качестве альтернативы рассматривается возможность существования древних организмов, построенных из неких биополимеров, более простых, чем ДНК или РНК. Какие-то химические опыты в этой области ведутся. Эти опыты полезны, поскольку они способствуют прогрессу органической химии. Но применительно к проблеме происхождения жизни этот подход, как мне кажется, не очень научен, так как никаких объективных критериев выбора этих исчезнувших неведомых биополимеров для экспериментов, в общем, нет.

Термин «жизнь» в понимании различных областей исследования

Понятие «биологическая жизнь», или просто «жизнь», – центральное в биологии. Оно фигурирует во всех разделах биологических и смежных наук. Например, термины «жизнь», «продолжительность жизни», «здоровая жизнь» используются в эволюционном учении, в науках о старении организмов (геронтологии), во многих разделах медицины. Однако термин «жизнь» довольно неоднозначный, поскольку не существует строгого универсального определения этого понятия. Определение упомянутого термина с позиции общих законов природы и движущих сил развития биологической материи позволило бы с единых позиций более глубоко изучать разнообразные биологические системы и явления. Настоящая работа посвящена попытке сформулировать представление о жизни как био-физико-химическом явлении с учетом достижений термодинамической теории эволюции и старения живых систем, основы которой были заложены автором в 70-х годах прошлого века⁷.

Явление жизни легко осознать в рамках общих законов природы без привлечения «неравновесной термодинамики, далеких от равновесия систем», которые не могут быть, в принципе, охарактеризованы посредством функций состояния. Жизнь может быть изучена без использования представлений синергетики, нефизических математических моделей и известных, физически неоправданных, эклектических концепций.

Жизнь – явление существования многообразных энергозависимых динамических самообновляющихся (в условиях близких к равновесию) структур, востребованных иерархической термодинамикой. Жизнь, в различных формах ее проявления, – неотъемлемая составляющая эволюционного развития материи.

LUCA

В 2000 году группа Евгения Викторовича Кунина, работающая в США, выявила набор генов, общих для всех клеточных организмов, что позволило cказать, что существует один общий предок. По-английски его называют the Last Universal Cellular Ancestor, сокращенно — LUCA⁸.

Необходимо отметить, что LUCA — это не первая клетка, это последний общий предок бактерий и архей, весьма сложный организм. Продвигаться по стреле времени глубже, реконструируя еще более древние организмы, очень трудно, не хватает методических подходов.

Можно предполагать, что была достаточно богатая история жизни до LUCA, но про нее мы почти ничего не знаем. Так что пока основная новость в этой области — это изменение представления о том, когда могла возникнуть жизнь и когда мог жить LUCA. Планете Земля 4,5 миллиарда лет. До недавнего времени считалось, что жизнь могла возникнуть только после последней катастрофической метеоритной бомбардировки, завершившейся 3,8 миллиарда лет назад. Сейчас появились основания считать, что бомбардировка была не такой уж катастрофической, так что какие-то живые организмы, например предки бактерий и архей, могли ее пережить, и что до начала этой бомбардировки, 4,4–4,1 миллиарда лет назад, на Земле был мягкий, прохладный климат, который мог весьма способствовать как существованию мира РНК, так и превращению реплицирующихся РНК-агрегатов в первые клеточные организмы.

Некоторую надежду на реконструкцию предков LUCA внушает пересмотр представлений о том, кто такие вирусы и какова их роль в природе. Во-первых, оказалось, что вирусы бактерий и архей совершенно разные. И это означает, что вирусный мир сосуществует с миром клеточных организмов с давних пор.

Другими словами, с самого начала были как клеточные организмы, умеющие синтезировать белки, так и вирусоподобные организмы, которые, будучи паразитами, умели заставлять клеточные организмы синтезировать белки для них. То есть миры вирусов и белоксинтезирующих клеточных организмов взаимодействовали между собой еще до LUCA. Во-вторых, началось изучение океанских вирусов. Любопытно, что когда пересчитали количество вирусов на литр океанской воды, то оказалось, что их в 10 раз больше, чем клеточных организмов — около 100 миллиардов «штук» на литр. При этом мы про них почти ничего не знаем. Видимо, эти вирусы важны; показано, что они обеспечивают обмен генами между живущими в океане бактериями, представляя собой существенную часть биосферы. Так что, может, мы больше узнаем о предшественниках LUCA, изучая новые вирусы и их взаимодействие с клеточными организмами.

Список использованных источников

Интернет-сайты:

1. https://postnauka.ru/longreads/88776

2. https://postnauka.ru/talks/36256

Литература:

1. Брызгалина Е.В. Концепции современного естествознания, 2013 год, гл. 5

2. Галимов Э.М. Феномен жизни: между равновесием и нелинейностью. Происхождение и принципы эволюции. М., Едиториал УРСС, 2006

3. Опарин А.И. К вопросу о возникновении жизни // Вопросы философии. 1953. № 1.

4. Опарин А.И. Возникновение и начальное развитие жизни. М., 1966.

5. Серебровская К. Сущность жизни. История поиска. М. 1994

6. Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физика. М., Наука, 1972

1 Брызгалина Е.В. Концепции современного естествознания, 2013 год, гл. 5

2 https://postnauka.ru/talks/36256

3 Галимов Э.М. Феномен жизни: между равновесием и нелинейностью. Происхождение и принципы эволюции. М., Едиториал УРСС, 2006

4 Опарин А.И. Возникновение и начальное развитие жизни. М., 1966.

5 Опарин А.И. К вопросу о возникновении жизни // Вопросы философии. 1953. № 1

6 Серебровская К. Сущность жизни. История поиска. М. 1994

7 Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физика. М., Наука, 1972

8 https://postnauka.ru/talks/36256