4) Теория панспермии

Согласно этой теории, органические соединения, необходимые для образования жизни, или даже простейшие ее формы (вирусы, бактерии) могут распространяться в межзвездном пространстве под действием светового давления или переноситься с одной планеты на другую разумными существами.

Эта теория, выдвинутая в 1908 году Сванте Аррениусом (1859 – 1927), не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а выдвигает идею о ее внеземном происхождении. Поэтому ее нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой; она просто переносит проблему в какое-то другое место Вселенной.

Теория панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время в разных частях Галактики или Вселенной. Для обоснования этой теории используются многократные появления НЛО, наскальные изображения предметов, похожих на ракеты и «космонавтов», а также сообщения о встречах с инопланетянами. Советские и американские исследования в космосе позволяют считать, что вероятность обнаружения жизни в пределах Солнечной системы ничтожна, однако они не дают никаких сведений о возможной жизни вне этой системы. При изучении материалов метеоритов и комет в них были обнаружены многие «предшественники живого» – такие вещества, как цианогены, синильная кислота и органические соединения, возможно сыгравшие роль «семян», падавших на голую Землю. Появился ряд сообщений о нахождении в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни, однако доводы в пользу их биологической природы пока не кажутся ученым убедительными.

5) Биохимическая эволюция (абиогенез)5

Среди астрономов, геологов и биологов принято считать, что возраст Земли составляет примерно 4,5 – 5 млрд. лет.

По мнению многих биологов, в прошлом состояние нашей планеты было мало похоже на нынешнее: вероятно температура на поверхности была очень высокой (4000 - 8000°С), и по мере того, как Земля остывала, углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовали земную кору; поверхность планеты была, вероятно, голой и неровной, так как на ней в результате вулканической активности, подвижек и сжатий коры, вызванных охлаждением, происходило образование складок и разрывов.

Полагают, что гравитационное поле еще недостаточно плотной планеты не могло удерживать легкие газы: водород, кислород, азот, гелий и аргон, и они уходили из атмосферы. Но некоторые простые соединения задерживались, в основном это были вода, аммиак, углекислый газ и метан. До тех пор, пока температура Земли не упала ниже 100°C, вся вода находилась в парообразном состоянии.Атмосфера была, по видимому,«восстановительной», о чем свидетельствует наличие в самых древних горных породах металлов в восстановленной форме (например, двухвалентное железо). Более молодые породы содержат металлы в окисленной форме (Fe³⁺).Отсутствие кислорода, вероятно, было необходимым условием для возникновения жизни; как показывают лабораторные опыты, органические вещества (основа жизни) гораздо легче образуются в атмосфере бедной кислородом.

В 1922 г. русский ученый Александр Иванович Опарин (1894 – 1980), исходя из теоретических соображений, высказал мнение, что органические вещества, возможно углеводороды, могли создаваться в океане из более простых соединений. Энергию для этих процессов поставляла интенсивная солнечная радиация, главным образом ультрафиолетовое излучение, падавшее на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. По мнению Опарина, разнообразие находившихся в океанах простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался«первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь.

В 1953 г. Стэнли Миллер в ряде экспериментов моделировал условия, предположительно существовавшие на первобытной Земле. В созданной им установке ему удалось синтезировать многие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряд аминокислот, аденин и простые сахара, такие как рибоза. Советские учёные А. Г. Пасынский и Т. Е. Павловская (1956) показали возможность образования аминокислот при ультрафиолетовом облучении газовой смеси формальдегида и солей аммония. Испанский учёный Х. Оро (1960) осуществила биогенный синтез пуринов, пиримидинов, рибозы и дезоксирибозы – компонентов нуклеиновых кислот. Американские учёные абиогенно синтезировали аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ) – основную форму накопления энергии в живых организмах (С. Поннамперума, 1970), а также аминокислоты, полипептиды и белковоподобные вещества (С. Фокс, 1969). Этими экспериментами было доказано, что абиогенное образование органических соединений во Вселенной могло происходить в результате воздействия тепловой энергии, ионизирующего и ультрафиолетового излучений, электрических разрядов. Первичным источником этих форм энергии служат термоядерные процессы, протекающие в недрах звёзд.

Таким образом, абиогенное образование простейших углеводородов – первая ступень в развитии органической материи – не вызывает сомнений.

Особое значение имеет вопрос о трансформации химической эволюции в биологическую. Такой переход обязательно должен был быть связан с возникновением многомолекулярных фазовообособленных открытых систем, способных взаимодействовать с внешней средой, т.е. расти и развиваться, используя её вещества, энергию и, тем самым, преодолевая нарастание энтропии. Модельные опыты с фазовообособленными системами, или пробионтами, проводимые, в частности, А. И. Опариным и его сотрудниками с коацерватными каплями, выделяющимися из водного раствора разнообразных органических полимеров, показали, что эти системы обладают способностью поглощать из окружающего их раствора разнообразные богатые энергией вещества и за их счёт расти, увеличиваясь в размерах и массе. При этом скорость указанного процесса определяется свойственной каждой индивидуальной капле химической и пространственной организацией, так что две разновидности капель, находящиеся в одинаковом растворе, ведут себя различно. Одни растут быстро, тогда как рост других замедлен и может даже происходить их полный распад. Описанные модельные опыты показывают возможность примитивного "отбора" капель в зависимости от характера их взаимодействия с внешней средой.

Опарин полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежала белкам. Благодаря амфотерности⁶белков они способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов – притягивают к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от водной фазы, в которой они суспендированы, и образовывать своего рода эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом приводит к отделению коллоидов от среды – процесс, называемыйкоацервацией.

Предполагается, что в самих коацерватах входящие в их состав вещества вступали в дальнейшие химические реакции; при этом происходило поглощение коацерватами ионов металлов и образование ферментов. На границе между коацерватами и средой выстраивались молекулы липидов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивавшей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват предсуществующей молекулы, способной к самовоспроизведению и внутренней перестройки покрытого липидной оболочкой коацервата, могла возникнуть первичная клетка. Увеличение размеров коацерватов и их фрагментация, возможно, вели к образованию идентичных коацерватов, которые могли поглощать больше компонентов среды, так, что этот процесс мог продолжаться. Такая предположительная последовательность событий должна была привести кпоявлению примитивного самовоспроизводящегося гетеротрофного организма, питавшегося органическими веществами первичного бульона.

Теория Опарина завоевала широкое признание, но она не решает проблемы, связанные с переходом от сложных органических веществ к простым живым организмам. Именно в этом аспекте теория биохимической эволюции представляет общую схему, приемлемую для большинства биологов.

Хотя эту гипотезу происхождения жизни признают очень многие ученые, у некоторых она вызывает сомнения из-за большого количества допущений и предположений. Астроном Фред Хойлнедавно высказал мнение, что мысль о возникновении жизни в результате описанных выше случайных взаимодействий молекул «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке Боинга-747».

Самое трудное для этой теории – объяснить появление способности у кооцерватных капель к самовоспроизведению в отсутствие систем, обеспечивающих кодирование и передачу генетической информации. В рамках концепции Опарина не решена главная проблема – о движущих силах развития химических систем и перехода от химической эволюции к биологической, о причине таинственного скачка от неживой к живой материи.

Теория Опарина не единственная. Существуют теории как дополняющие её (например, теория саморазвития открытых каталитических систем А. П. Руденко) или конкурирующие с ней. К последним относятся не только концепции креационизма, панспермии или стационарного состояния, но и абиогенетические концепции, построенные на иных основаниях.

Дело в том, что концепция Опарина относится к концепциям голобиоза (субстратным), считающим, что первична «кооцерватная капля», имеющая внешнюю оболочку, обменивающаяся веществом с внешней средой. Однако последние научные исследования показали предпочтительность концепцийгенобиоза (информационных), полагающим, что первична сложная молекула (по-видимому, РНК), обладающая способностью к самовоспроизведению (репликации). Одной из таких концепций является гипотезаДж. Холдейна (1892 – 1964), который называл первичную макромолекулярную структуру «голым геном». В 1980-е годы концепция генобиоза стала доминирующей в науке.

Сейчас принято считать, что первичной была древняя РНК, способная к саморепродукциив отсутствие белковых ферментов. Затем появились белки, потом – ДНК. Появление самого первого фрагмента РНК, обладающего каталитической активностью, например полимеразной, позволяло этой макромолекуле самореплицироваться. Но при этом еще не приводило к формированию генетического кода, то есть к закреплению специфической информации. Не исключено, что и собственно переход к записи генетической информации в виде последовательности нуклеотидов, то есть к атрибутам жизни в ее современном понимании, был также опосредован эволюционным совершенствованием РНК, то есть ее способностью к выполнению более специализированных и разнообразных функций ферментов.

Ещё одну оригинальную теорию недавно выдвинули Уильям Мартин из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе и Майкл Рассел из Центра изучения окружающей среды университета Шотландии в Глазго. Они утверждают, что первые живые организмы на Земле могли появиться внутри камней, выстилающих дно океана. Более 4 миллиардов лет назад крошечные полости внутри минералов могли выступить в роли клеток.

Ключевой момент в этой теории – отложения сульфида железа (FeS). В горячих источниках на морском дне это соединение образует "соты" с ячейками шириной в несколько сотых миллиметра. Как считают Мартин и Рассел, эти ячейки – идеальное место для возникновения жизни. По сравнению с другими гипотезами возникновения жизни на Земле, теория Мартина и Рассела уникальна тем, что она предполагает, что возникновение клетки предшествовало возникновению белков и самореплицирующихся молекул.

Мартин и Рассел предположили, что живые организмы покинули каменные ячейки, когда научились сами строить клеточную стенку. Поэтому они выдвинули довольно спорное предположение о том, что жизнь на Земле возникала дважды. Об этом, по их мнению, свидетельствует большая разница в строении клеточной стенки у двух основных царств примитивных прокариот – бактерий и архебактерий. Выход обоих царств из каменных ячеек произошел около 3,8 миллиардов лет назад, в то время как самые древние ископаемые образцы, бесспорно свидетельствующие о наличии бактерий на Земле, относятся к периоду около 2,5 миллиардов лет назад, хотя некоторые исследователи говорят о возникновения жизни еще 3,5 миллиарда лет назад.

Таким образом, пока у ученых нет гипотезы происхождения жизни, которая объясняла бы все факты, которыми располагает наука.