Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
LIBRARY / Концепции современного естествознания.pdf
Скачиваний:
84
Добавлен:
31.03.2015
Размер:
2.64 Mб
Скачать

главных направлений отражает эволюционную тенденцию в филогенезе почти всех групп.

Биологическая эволюция отлична от эволюции атомов, Земли, общества и др. В ее основе — «уникальные процессы самовоспроизведения макромолекул и живых организмов, которые таят в себе почти неограниченные возможности преобразования живых систем в ряду поколений», — отмечает известный эволюционист А.В.Яблоков. «Биологи- ческая эволюция — необратимое и в известной степени направленное историческое развитие живой природы, сопровождающееся изменением генетического состава

популяций, формированием адаптаций, образованием и вымиранием видов, преобразованиями биогеоценозов и биосферы в целом». С возникновения жизни органическая природа непрерывно развивается сотни миллионов лет, и результатом процесса эволюции является то разнообразие форм живого, которое еще не полностью описано, классифицировано и изучено. Формы живого — и предмет, и объект эволюции. Результаты биологической эволюции многообразны, это всегда соответствие развивающейся живой системы условиям ее существования.

20.4. ОСНОВНЫЕ ГИПОТЕЗЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИВОГО

Проблема эволюции и происхождения живого на Земле является загадкой и предметом споров не одно столетие. Одно представление ориентировалось на идеи творения мира, приписывая всему живому особую жизненную силу, не зависящую от материального мира (витализм). Другое — на органическую связь живого с неживым, и появилась идея о возможности самозарождения жизни.

Анаксимандр считал, что и живое, и неживое образовано из айперона по одинаковым законам. Животные родились из воды и земли при нагревании солнечным теплом и светом, при этом все они возникли независимо друг от друга. Эмпедокл исходил из построения материи четырьмя элементами мира (огонь, водух, земля, вода), которые взаимодействуют через любовь (притяжение) и вражду (отталкивание). Тепло недр Земли вырывалось из глубин и превращало тинообразную поверхность Земли в комья разной формы, так появились растения, а потом животные. Но они не были похожи на современные, и неприспособленные и уродливые формы исчезали, оставляя более совершенные для развития. Элементы стремились соединиться с себе подобными, поэтому важны для живого тепло

èкровь. Без воды и огня наступает смерть. Атомистическая концепция Демокрита, представленная в поэме Лукреция Кара, отвергала легенду о сотворении людей богами. В поэме предложена периодизация истории человечества на основе использования материала для орудий труда: века каменный, медный (или бронзовый) и железный. Распад Римской империи в V в. привел к новому типу сознания, к религиозному мироощущению, когда естествознание лишилось своего предмета, своих реальных задач, вера во всемогущего Бога, создающего и творящего мир, вела к периоду мистицизма и иррационализма. Кроме того, отсутствие надежных средств хранения и передачи информации способствовало упадку науки.

Äî XVIII â. íå áûëî ðå÷è î различии и единстве живого

èкосного вещества. Человек — боговдохновенное создание, а остальная природа — материя, управляемая законами механики, и развитие биологии и геологии шло раздельно. Теорея эпигенеза (У.Гарвей, Р.Декарт) отрицала предопределенность развития организма, развивающегося под определяющим влиянием окружающей среды. У.Гарвей, как и Аристотель, считал эволюцию стремлением к совершенству. Обращаясь больше к опытному изучению эмбриогенеза, эпигенетики отходили от идей божественного творения жизни. Преформисты (А.Левенгук, Г.Лейбниц, Н.Мальбранш и др.) считали, что в зародышевой клетке

содержатся все структуры взрослого организма, и онтогенез — лишь количественный рост зачатков органов и тканей. Лейбниц провозгласил принцип градации, предсказал существование переходных форм между животными и растениями. Этот принцип затем был развит до представления о «лестнице существ» и концепции трансформизма.

Проблема происхождения и эволюции жизни относится к наиболее интересным и в то же время наименее исследованным вопросам, связанным с философией и религией. Практически на протяжении почти всей истории развития научной мысли считалось, что жизнь — явление самозарождающееся. Здесь было много чисто умозрительных рассуждений, теологических и научных. Перечислим основные теории, связанные с моделью развития Вселенной:

1)жизнь была создана Творцом в определенное время — креационизм (лат. creatio «сотворение»);

2)жизнь возникла самопроизвольно из неживого вещества;

3)жизнь существовала всегда;

4)жизнь была занесена на Землю из Космоса;

5)жизнь возникла в результате биохимической эволюции.

Согласно креационизму, возникновение жизни относится к определенному событию в прошлом, которое можно вычислить. В 1650 г. архиепископ Ашер из Ирландии вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н.э., а в 9 часов утра 23 октября — человека. Это число он получил из анализа возрастов и родственных связей всех упоминаемых в Библии лиц. Однако к тому времени на Ближнем Востоке уже была развитая цивилизация, что доказано археологическими изысканиями. Впрочем, вопрос сотворения мира и человека не закрыт, поскольку толковать тексты Библии можно по-разному. Сторонники этой гипотезы считали, что живым организмам присуща особая сила, независимая от материального мира, направляющая все жизненные процессы (витализм). В настоящее время около 50% жителей США придерживаются этой гипотезы.

Теория спонтанного зарождения жизни существовала в Вавилоне, Египте и Китае как альтернатива креационизму. Она восходит к Эмпедоклу и Аристотелю: определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при определенных условиях может создать живой организм. Аристотель считал, что активное начало есть в оплодотворенном яйце, солнечном свете, гниющем мясе. У Демокрита начало жизни было в иле, у Фалеса — в воде, у Анаксагора — в воздухе. Аристотель не

202

сомневался в самозарождении лягушек, мышей и других мелких животных. Платон говорил о самозарождении живых существ из земли в процессе гниения. Различные случаи самозарождения описаны Цицероном, Плутархом, Сенекой и Апулеем.

С распространением христианства идеи самозарождения были объявлены еретическими, и долгое время о них не вспоминали. Но Гельмонт придумал рецепт получения мышей из пшеницы и грязного белья. Бэкон считал, что гниение — зачаток нового рождения. Гарвей, как и Бэкон, думал, что черви и насекомые могут зарождаться при гниении. Парацельс пытался разработать рецепты создания искусственного человека — гомункулуса путем помещения человеческой спермы в тыкву. В XV–XVI вв. считали, что львы возникли из камней пустыни. Согласно Декарту, самозарождение — естественный процесс, который происходит при некоторых условиях. Идеи самозарождения жизни поддерживали Коперник, Галилей, Декарт, Гарвей, Гегель, Ламарк, Гете, Шеллинг. Их авторитет во многом определил широкое распространение этой идеи.

Итальянский биолог Ф.Реди серией опытов с открытыми и закрытыми сосудами доказал (1688 г.), что появляющиеся в гниющем мясе белые маленькие черви — это личинки мух, и сформулировал принцип: все живое — из живого. Так он отверг доктрину самозарождения жизни. Но только острые дискуссии в середине XIX в. потребовали экспериментальных исследований. Л.Пастер окончательно показал (1860 г.), что бактерии могут появляться в органических растворах только, если они были туда занесены ранее. Опыты Пастера подтвердили принцип Реди и показали несостоятельность идеи самозарождения жизни. Но они не могли ответить на основной вопрос о происхождении жизни. И для избавления от микроорганизмов необходима стерилизация, получившая название пастеризации. Отсюда укрепилось представление, что новый организм может быть только от живого.

Сторонники теории вечного существования жизни

считают, что на вечно существующей Земле некоторые виды вынуждены были вымереть или резко изменить численность в тех или иных местах из-за изменения внешних условий. Четкой концепции на этом пути не выработано, поскольку в палеонтологической летописи Земли есть некоторые разрывы и неясности. С идеей вечного существования жизни во Вселенной связана и следующая группа гипотез.

Теория панспермии (от греческого — «всеобщее семя») не предлагает механизма для объяснения первичного возникновения жизни и переносит проблему в другое место Вселенной. Наша планета, возникшая 4,5 млрд лет назад, в первые 500 млн лет бомбардировалась потоками метеоритов, которые вроде бы препятствовали не только появлению жизни, но даже и образованию свободной водной поверхности. Но в пластах, имеющих возраст 4,3 млрд лет, найдены простейшие формы жизни, а 200 млн лет — слишком малый срок не только для самопроизвольного образования органики, не говоря о живых клетках. Во всей Вселенной за 13–15 млрд лет существования такой процесс мог бы осуществиться. В 1865 г. немецкий врач Г.Рихтер выдвинул идею космических зачатков — космозоев, ïåðå-

носимых с одной планеты на другую. Зародившись в космосе, жизнь долго сохранялась в анабиозе почти при Ò = 0 Ê,

èбыла занесена на Землю метеоритами. Либих считал, что «атмосферы небесных тел, а также вращающихся косми- ческих туманностей можно считать как вековечные хранилища оживленной формы, как вечные плантации органи- ческих зародышей», откуда жизнь рассеивается во Вселенной. Аналогично мыслили Кельвин, Гельмгольц и др. В начале XX в. с идеей радиопанспермии выступил Аррениус. Он описывал, как с населенных планет уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Они, сохраняя жизнеспособность, летают во Вселенной за счет светового давления и, попадая на планету с подходящими условиями для жизни, начинают новую жизнь. Эту гипотезу поддерживали многие, в том числе русские ученые С.П.Костычев, Л.С.Берг, В.И.Вернадский и П.П.Лазарев.

Для обоснования панспермии обычно используют наскальные рисунки с изображением предметов, похожих на ракеты или космонавтов, или появления НЛО. Полеты космических аппаратов разрушили веру в существование разумной жизни на планетах Солнечной системы, появившуюся после открытия Скиапарелли каналов на Марсе (1877 г.). В 1924 г. многие каналы сфотографировали, и они казались доказательством существования разумной жизни. Фотоснимки 500 каналов зафиксировали сезонные изменения цвета, которые подтвердили идеи астронома Г.А.Тихова о растительности на Марсе, так как озера и каналы имели зеленый цвет. Ценная информация о физических условиях на Марсе была получена советским космическим аппаратом «Марс» и американскими посадочными станциями «Викинг-1» и «Викинг-2». Так, полярные шапки, испытывающие сезонные изменения, оказались состоящими из водяного пара с примесью минеральной пыли и из твердой двуокиси углерода (сухого льда). Но пока следов жизни на Марсе не найдено. Изучение поверхности с борта искусственных спутников позволило предположить, что каналы и реки Марса могли возникнуть в результате растапливания подповерхностного водяного льда в зонах повышенной активности или внутреннего тепла планеты или при периодических изменениях климата.

Âконце 60-х годов вновь возрос интерес к гипотезам панспермии. Так, геолог Б.И.Чувашов («Вопросы философии», 1966 г.) писал, что жизнь во Вселенной, по его мнению, существует вечно. Он критиковал теорию Опарина, считал сомнительным применение понятия «естественного отбора» к анализу развития предбиологических систем, хотя

èдопускал возможность чрезвычайно редкого развития неживой материи до уровня живой. Потому оно может произойти только однажды в каждой данной галактике и переноситься спорами с метеоритами по планетным системам звезд.

При изучении вещества метеоритов и комет были обнаружены многие «предшественники живого» — органи- ческие соединения, синильная кислота, вода, формальдегид, цианогены. Формальдегид, в частности, обнаружен в 60% случаев в 22 исследованных областях, его облака с концентрацией около 103 ìîë./ñì3 заполняют обширные пространства. Предшественники аминокислот найдены в лунном

203

грунте и метеоритах (1975 г.). Сторонники этой гипотезы

Химический состав Земли сформировался в результате

считают их посеянными на Земле. В предисловии к рус-

космической эволюции вещества, возникли определенные

скому изданию книги С.Фокса и К.Дозе «Молекулярная

пропорции соотношений атомов. Космическое обилие

эволюция и возникновение жизни» Опарин писал: «Земля

кислорода и водорода выразилось в обилии воды и ее

уже при самом своем образовании получила эти вещества,

многочисленных окислов, а высокая распространенность

так сказать, “в наследство от Космоса”». О существовании

углерода — одна из причин, определивших большую вероят-

жизни вне солнечной системы пока сказать нельзя, но

ность возникновения жизни. Обилие кремния, магния и

обнаружены в спектрах далекой галактики линии, соответ-

железа способствовало образованию в земной коре и

ствующие спирту.

метеоритах силикатов.

Среди генетиков имеет некотоое распространение

Источниками сведений о распространенности элемен-

гипотеза о случайном возникновении жизни на Земле из

тов служат данные о составе Солнца, метеоритов, поверх-

первичной живой молекулы. Истоки этой идеи связаны с

ностей Луны и планет. Возраст метеоритов примерно

открытием роли ДНК в явлениях наследственности и

соответствует возрасту земных пород, поэтому их состав

восходят к взглядам Германа Меллера, одного из соз-

помогает восстановить химический состав Земли в прош-

дателей радиационной генетики, удостоенного Нобелев-

лом и выделить изменения, вызванные появлением жизни

ской премии по физиологии и медицине в 1946 г. Он считал

на Земле. 1. Сначала — период образования простых

моделью такой «живой молекулы» частицу нуклеопротеида

органических соединений. На других планетах и в косми-

вируса табачной мозаики, но сейчас такое представление

ческой газопылевой туманности обнаружены соединения

о вирусах стало уже достоянием истории науки. Однако

углерода и даже углеводороды. 2. Второй этап — обра-

идея случайного возникновения ДНК встречается в попу-

зование в водах океана белковых веществ. В разных странах

лярной литературе.

удалось получить из смеси аммиака, метана, водорода и

В представлениях о зарождении жизни в результате

водяного пара при высоких давлениях и наличии элект-

физико-химических процессов важную роль играет эволю-

рических разрядов и ультрафиолетового облучения амино-

ция самой планеты. Земля существует почти 4,5 млрд лет,

кислоты. Позже путем полимеризации были получены в

а органическая жизнь — около 3,5 млрд лет. В докемб-

этих условиях и более сложные органические соединения.

рийских породах найдены признаки живого. Состояние

3. В дальнейшем процессы стали происходить в кисло-

Земли за время ее существования все время изменялось.

родной атмосфере, так как он стал накапливаться в течение

Очень давно Земля была горячей планетой с температурой

1,2 млрд лет, и соединения стали окисляться. Так родился

(5 8) 103 К. По мере остывания тугоплавкие металлы и

«первичный бульон» жизни. Можно сказать, что Опарин

углерод конденсировались, образовывая земную кору. Но

обратился к простым формам неживой материи, распрост-

она не была ровной из-за активной вулканической деятель-

ранив на их изучение дарвиновский принцип эволюции.

ности и всевозможных подвижек формирующегося грунта.

Научная постановка проблемы возникновения жизни

Согласно гипотезе Опарина (1923 г.), атмосфера первичной

принадлежит Энгельсу, считавшему, что жизнь сформи-

Земли сильно отличалась от современной. Легкие газы —

ровалась в ходе эволюции материи. В этом же ключе

водород, гелий, азот, кислород, аргон и другие — не

высказался и К.А.Тимирязев: «Мы вынуждены допустить,

удерживались еще недостаточно плотной планетой, а более

что живая материя осуществлялась так же, как и все

тяжелые соединения оставались (вода, аммиак, двуокись

остальные процессы, путем эволюции… Процесс этот,

углерода, метан). Вода оставалась газом, пока температура

вероятно, имел место и при переходе из неорганического

не упала ниже 100°С.

мира в органический» (1912 г.). Но окончательного ответа

 

ïîêà íåò.

20.5. КОНЦЕПЦИЯ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИВОГО ПО ГИПОТЕЗЕ ОПАРИНА–ХОЛДЕЙНА

Атмосфера ранней Земли была, скорее, «восстановительной», так как в древних породах преобладают металлы — в восстановленной форме (например, двухвалентное железо), а в более молодых — в окисленной (железо трехвалентное). Опыты, проведенные в лаборатории, показывают, что органические вещества в такой среде создаются легче, чем в окисленной. На первой стадии из простых неорганических соединений появились углеводороды. Возможность образования сложных соединений из простых доказана многими исследованиями.

Так, еще в 1861 г. Бутлеров обнаружил, что в растворе формалина в известковой воде при стоянии в теплом месте образуются сахара. А.Н.Бах показал, что в водном растворе формалина и цианистого калия возникают еще более сложные вещества, которые могут служить питательной средой для микроорганизмов.

Органика (возможно, углеводороды) возникла в океане из более простых соединений — предположил Опарин. Необходимую энергию давало Солнце, ультрафиолетовая часть его излучения не поглощалась озоновым слоем (который еще не образовался). Разнообразие простых соединений в океанах, большая водная площадь, обилие солнечной энергии, действовавшей длительное время, образовали «первичный бульон», в котором стали возникать органические соединения. Похожая идея была положена в основу концепции и английского естествоиспытателя Дж.Холдейна (1929 г.).

По оценке К.Х.Уоддингтона, «в конце 20–30-х годов были заложены основы точки зрения, согласно которой жизнь рассматривается как явление, естественным образом возникающее из неживой природы». Вероятно, будущие исследователи истории идей отметят, что эта точка зрения на проблему происхождения жизни, представлющая рево-

204

люцию в философском понимании человеком своего собст-

Другие исследователи стали использовать нагревание,

венного места в мире, впервые была разработана комму-

пропускание бета-лучей и ультрафиолета, и оказалось, что

нистами. Опарин в Москве (1924 г.) и Холдейн в Кембридже

различные источники свободной энергии приводили к

(1929 г.) независимо друг от друга утверждали, что послед-

образованию сходных веществ. Наиболее эффективным

ние достижения геохимии… позволяют представить про-

источником оказалось солнечное излучение в диапазоне

цесс происхождения систем, которые могут быть названы

äëèí âîëí (2 2,5) 107 м. Попадание полученных веществ

«живыми».

в воду предохраняло от обратного распада на простые

Опарин отметил, что организмы состоят из соединений,

соединения, а взаимодействие друг с другом открывало

обладающих более сложной структурой, чем те продукты,

возможность эволюции.

которые они производят. И логично, что некоторые органи-

В настоящее время излучение с λ < 2,9 10–7 м погло-

ческие соединения предшествовали живым организмам и

щается слоем озона и не доходит до земной поверхности.

сыграли важную роль в их происхождении. В 1956 г. Опарин

По оценкам Юри, в предбиологические времена доля

выпустил книгу в соавторстве с астрономом Фесенковым,

свободного О2 составляла около 10–3 от современного

в которой они придерживаются идеи Шмидта о том, что

значения в атмосфере, что было недостаточно для образо-

Солнце захватило часть пылевого облака во Вселенной. Но

вания озонового слоя. По расчетам геолога и палеонтолога

общей идеей для всех вариантов теории оставалось необ-

Б.С.Соколова (1976 г.), содержание О2 достигло 1% совре-

ходимое условие возникновения жизни — ее первоначаль-

менного значения только 1 млрд лет назад. Опыты Миллера

ное отсутствие, причем и законы природы изменялись —

говорят в пользу теории Юри о составе первоначального

с возникновением жизни появились законы биологические,

«бульона». Ранняя атмосфера Земли напоминала атмосферу

а с появлением человека возникли законы социальные.

современного Юпитера, в ней преобладали неокисленные

Момент перехода от неживого к живому — решаю-

газы — метан, аммиак и водород. Х.Оро в 60-е годы показал,

щий для мировоззрения. У Опарина жизнь возникает на

что молекулы синильной кислоты HCN в одностадийной

уровне многомерных структур — коагулянты, гели и

реакции могут конденсироваться с образованием аденина,

коацерваты — в «момент выпадения геля или образования

а у Миллера — при электрическом разряде. Простейшие

первородного студня», и «с некоторыми оговорками мы

молекулы возникали в очень малых количествах, и нуклео-

даже можем считать этот впервые возникший на Земле

тидов таким путем не смогли получить. Американский

кусочек органической слизи первичным организмом.

ученый К.Саган подсчитал (1966 г.), что образовавшиеся

В самом деле, он должен был обладать многими из тех

за счет энергии ультрафиолетовых лучей органические

свойств, которые в настоящее время рассматриваются как

вещества способны создать в водах океана 1%-й раствор.

признаки жизни». Он описал (1936 г.) коллоидную фазу

За счет энергии химических связей образующегося АТФ

возникновения жизни и развитие способности к фото-

может существовать популяция бактерий кишечной па-

синтезу у предков растительных организмов. Коацерваты

лочки до 20 тыс. экземпляров в столбе воды сечением в

уже могут увеличиваться в размерах, делиться на части и

1 ñì2.

подвергаться химическим изменениям ввиду явлений на

Итак, солнечное излучение способно обеспечить ход

границе возможного расслоения. Эти граничные явления

мощных процессов синтеза, неорганического фотосинтеза,

имеют зачатки метаболизма, а переход к живому

чтобы начали вдруг «выживать» более сложные молекулы

происходит тогда, когда на смену «соревнованию в

вместо простых. Если химическая эволюция Земли заняла

скорости роста приходит борьба за существование».

4,5 млрд лет, то этап биохимической эволюции, который

Возникновение и обострение этой борьбы — результат

привел к формированию простейших организмов, — более

нехватки для «питания» коацерватов запасов «предбио-

2 млрд лет. Теория Опарина получила признание, но оста-

логической» органики. Эта нехватка приводит к сущест-

валось неясным, как от сложных органических веществ

вованию различных путей получения пищи, организмы до

перейти к простым живым организмам. Большинство

перехода к биологическому уровню развития разделяются

признавало этот процесс случайным — в результате взаимо-

на автотрофные и гетеротрофные. При иссякании запасов

действия простейших веществ вдруг образовалась моле-

органического материала вне коацерватов вступали в

кула, способная размножаться. Так считал и известный

действие «естественный отбор» и другие биологические

американский генетик, лауреат Нобелевской премии 1937 г.

факторы, происходил переход к организмам. Хотя Холдейн

Г.Меллер: жизнь возникла в форме гена — элементарной

в 1929 г. считал, что земная атмосфера была «до возник-

единицы наследственности — путем случайного соче-

новения жизни» богата двуокисью углерода, и первые

тания атомных групп и молекул, встречавшихся в водах

живые существа были «возможно, огромными молеку-

первичного океана.

лами», не упоминая ни о гелях, ни о коацерватах, его имя

В 1966 г. немецкий биохимик Г.Шрамм подсчитал

упоминается рядом с Опариным, и гипотеза названа «ãèïî-

вероятность случайного сочетания 6000 нуклеотидов,

тезой Холдейна–Опарина».

образующих РНК вируса табачной мозаики, и получил

Подобные условия создали в лаборатории американ-

число 1/102000. Так как считается, что число нуклонов во

ского геофизика Г.Юри. В 1953 г. Миллер пропускал

Вселенной — 1080, òî çà 109 лет, отведенных для синтеза

искровой разряд через смесь метана, аммиака, водорода

простейшего организма, невозможно получить хотя бы одну

è âîäû. В его установке удалось синтезировать ряд амино-

такую молекулу. Поэтому гипотеза случайного соединения

кислот, глутаминовую кислоту, аденин, глицин и простые

не пользуется признанием. Хойл высказался столь красочно,

сахара, а после и простые нуклеиновые кислоты (рис.39).

что его слова вошли в фольклор: эта идея «столь же нелепа

205