Лекция 9 Тема: живые системы.

1. Концепции возникновения жизни.

2. Особенности биологической формы организации материи.

3. Теория эволюции.

4. Эволюция и генетика.

5. Единство и многообразие органического мира.

Вопрос 1. Концепции возникновения жизни.

Совокупность наук о живой природе называется биологией. Современная биология имеет ряд особенностей, т.к. в нее наряду с «чистыми» биологическими науками, как ботаника — наука о растениях, зоология — наука о животных, микробиология — наука о микроорганизмах, генетика — наука о законах наследственности и изменчивости организмов, вошли биофизика, биохимия, молекулярная биология. Они привнесли в исследования живой природы понятия и методы физики и химии. (Парадокс — к концу ХХ века 95% знаний составляют знания о неживом веществе).

Поскольку объектом изучения является живая природа, то возникают вопросы о происхождении жизни и самом определении понятия «жизнь». Наиболее трудным и в то же время интересным в современном естествознании является вопрос о происхождении жизни. Сегодня ученые не в состоянии воспроизвести процесс возникновения жизни т.к. даже тщательно поставленный опыт будет лишь модельным экспериментом, лишенным ряда факторов, сопровождавшихся появлением живого на Земле. Наука не в состоянии опровергнуть идею божественного творения, так же как теология не обязательно отвергает возможность возникновения жизни на основе законов природы.

Существует пять концепций возникновения жизни: 1) креационизм – божественное сотворение живого; 2) концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества; 3) концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда; 4) концепция панспермии – внеземного происхождения жизни; 5) концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.

Креационизм. Согласно этой теории, жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом; ее придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений (Библия, Книга Бытия).

Концепция самопроизвольного (спонтанного) зарождения жизни. Исторически это первая альтернатива креационизму. Самым известным последователем этой теории является Аристотель (384 – 322 гг. до н.э.). Согласно его представлениям определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. По Аристотелю активное начало содержится в оплодотворенном яйце, солнечном свете, тине, гниющем мясе.

Аристотель: «Таковы факты — живое может возникать не только путем спаривания животных, но и разложением почвы. Также обстоит дело и у растений: некоторые развиваются из семян, а другие как бы самозарождаются под действием всей природы, возникая из разлагающейся земли или определенных частей растений».

Идеи Аристотеля возродил Ян Баптист ван Гельмонт (1579 – 1644), который описал эксперимент, в котором он за три дня якобы вывел мышей. Для этого нужны были грязная рубашка, темный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом Гельмонт считал человеческий пот.

Теория самопроизвольного зарождения жизни имела много критиков и оппонентов, чем способствовала развитию биологии. В 1688 г. Франческо Реди провел эксперименты с открытыми и закрытыми сосудами, и установил, что червячки, появляющиеся на гниющем мясе, — это личинки мух. На основе своих экспериментов Ф. Реди сделал вывод, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогеоценоза).

Микроскопические исследования Антони ван Левенгука (1632 – 1723) усилили теорию самопроизвольного зарождения жизни применительно к микроорганизмам. Другие ученые стали ставить опыты, чтобы дать ответ на вопрос о происхождении жизни. В 1765 г. Ладразо Спалланцани (1729 – 1799) доказал невозможность самопроизвольного зарождения микроорганизмов, прокипятив в эксперименте отвары овощей и мяса. В 1860 г. проблемой возникновения жизни занялся Луи Пастер (1822 – 1895). Он окончательно опроверг теорию самопроизвольного зарождения жизни и доказал справедливость теории биогеоценоза. Но до сих пор переход от неживой к живой природе можно интерпретировать как первичное самозарождение.

Концепция стационарного состояния. Согласно этой теории Земля никогда не возникала, а существовала вечно, жизнь была всегда. Эта теория не требует ответа на вопрос, откуда же взялся первый живой организм. Оценки возраста Земли сильно варьируют. Например, в 1650 г. архиепископ Ашер, сложив возраст всех людей библейской генеалогии, от Адама до Христа («кто кого родил»), вычислил, что Бог закончил творение мира (создав человека) в 9 часов утра 23 октября 4004 г. до н. э. По современным оценкам возраст Земли — 5 млрд. лет (метод учета скоростей радиоактивного распада). Другие методы датировки дают все более высокие оценки возраста Земли, что позволяет сторонникам теории стационарного состояния полагать, что Земля существовала всегда. Сторонники этой теории опираются на факты «разрывов» в палеонтологической летописи. Они не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых останков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида (кистеперые «вымерли» 70 млн. лет назад, но в ХХ в. в районе Мадагаскара выловили латимерию).

Теория панспермии. Эта теория не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, она просто переносит проблему возникновения жизни в какое-то другое место Вселенной. Согласно теории панспермии жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разных частях Вселенной. Для обоснования этой теории используются: 1) результаты изучения материалов метеоритов и комет (в них были обнаружены «предшественники живого», например, синильная кислота, цианогены, органические соединения, которые, возможно, сыграли роль «семян», падавших на Землю); 2) появление НЛО, встречи с инопланетянами, а также наскальные изображения, напоминающие ракеты и «космонавтов».

Теория биохимической эволюции. У концепции появления жизни на Земле в историческом прошлом два варианта. Согласно одному, происхождение жизни – результат случайного образования единичной «живой молекулы», в строении которой был заложен весь план дальнейшего развития живого. Французский биолог Жак Люсьен Моно (1910 – 1976) писал, что «жизнь не следует из законов физики, но совместима с ними. Жизнь – событие, исключительность которого необходимо сознавать». Согласно другой точке зрения, происхождение жизни — результат закономерной эволюции материи. Александр Иванович Опарин (1894 – 1980) в работе «Происхождение жизни» впервые сформулировал естественнонаучную концепцию, согласно которой возникновение жизни – результат длительной эволюции на Земле – сначала химической, затем биологической. Эта концепция получила наибольшее признание в научной среде.

А.И. Опарин полагал, что органические вещества могли создаваться в океане из более простых соединений. Энергию для этих реакций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнечная радиация (главным образом, ультрафиолетовая), падавшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. Разнообразие находящихся в океанах простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался тот «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь.

Чарлз Дарвин: «Часто говорят, что все необходимые для создания живого организма условия, которые могли когда-то существовать, имеются и в настоящее время, но если (ох, какое это большое «если») представить себе, что в каком-то тебольшом теплом пруду, содержащем всевозможные аммонийные и фосфорные соли, при наличии света, тепла, электричества и т.п. образовался бы химическим путем белок, готовый претерпеть еще более сложные превращения, то в наши дни такой материал непрерывно пожирался бы или поглощался, чего не могло случиться до того, как появились живые существа». (1871 г.)

После того, как углеродистые соединения образовали «первичный бульон», могли уже организоваться биополимеры – белки и нуклеиновые кислоты, которые благодаря аморфности белковых молекул были способны образовывать коллоидные гидрофильные комплексы и обособляться от водной среды (коацервация). Необходимая концентрация веществ для образования биополимеров могла возникнуть в результате осаждения органических соединений на минеральных частицах, например на глине или гидроокиси железа. Кроме того, органические вещества могли образовать на поверхности океана тонкую пленку, которую ветер и волны гнали к берегу, где она собиралась в толстые слои. В химии известен процесс объединения родственных молекул в разбавленных растворах. Коацерваты, возможно, были способны обмениваться с окружающей средой веществами и избирательно накапливать различные соединения. В последствии на основе коацерватов возникли примитивные самовоспроизвоизводящиеся гетеротрофные организмы.

В подтверждение возможности абиогенного синтеза были проведены следующие опыты. Воздействуя на смесь газов электрическими зарядами, имитирующими молнию, и ультрафиолетовым излучением, ученые получали сложные органические вещества, входящие в состав живых белков. Органические соединения, играющие большую роль в обмене веществ, были искусственно получены при облучении водных растворов углекислоты. Американский ученый Стэнли Миллер в 1953 г. синтезировал ряд аминокислот при пропускании электрического заряда через смесь газов, предположительно составлявших первичную земную атмосферу. Были синтезированы и простые нуклеиновые кислоты.

Хотя эту гипотезу происхождения жизни признают многие ученые, против нее есть серьезные аргументы. В свое время Джеймс Джинс (1877 – 1946) определил, что вероятность случайного, самопроизвольного образования молекулярных структур жизни чрезвычайно мала (вероятность случайного, самопроизвольного образования молекулярных структур жизни не выше, чем если бы обезьяна, стуча по клавишам пишущей машинки, случайно выбила тома Британской энциклопедии), поскольку из миллиардов органических соединений, существующих в природе, в построении живого участвуют лишь несколько сотен, из ста аминокислот в состав белка входят 20 (причем совершенно обязательных — 9, а остальные, вероятно, синтезируются организмом).

Чандра Викрамасингх высказал мнение, что мысль о возникновении живого в результате случайных взаимодействий молекул «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над местной свалкой, может привести к сборке Боинга – 747».

Как произошел качественный скачек от неживого к живому гипотеза А. И. Опарина не объясняет. Только привлечение основных представлений современной молекулярной биологии, а также кибернетики, может помочь решению этой проблемы. Некоторые пути ее решения уже намечаются. Ключ к пониманию загадки жизни дает концепция самоорганизации. Здесь «естественный отбор» идет из продуктов, которые можно получить множеством различных способов и которые обладают при этом обширным каталитическим спектром, то есть некоей путеводной нитью — для природы и нашего понимания природы — является своеобразный принцип избыточности (обеспечивающий наибольшие шансы для возникновения и «выживания»).

Есть предположение (Дж. Коккони) об изоморфизме (общности форм) определенных типов структур, характерных для микромира (при повышении энергии столкновения молекул) и биологических структур, формирующихся при росте времени (величине, канонически сопряженной с энергией). В этом смысле можно говорить о специфическом, физико-биологическом типе дополнительности, позволяющем понять условия самозарождения жизни. Выяснилось также, что в условиях сверхнизких температур и интенсивных излучений, могут образоваться структуры, очень близкие к молекулярным структурам живого. Как показал нобелевский лауреат Манфред Эйген, условия для образования живых структур возникают благодаря передаче информации на предбиологическом уровне, так называемой стадии гиперциклов. Предварительная информация как бы инструктирует организацию материи. Еще более совершенный механизм передачи информации, на еще более высоком уровне организации и со многими «степенями защиты», обеспечивает воспроизведение жизни. Раз возникнув, жизнь продолжает создавать условия для своей эволюции.

Центральной проблемой происхождения жизни на Земле является реконструкция эволюции механизма наследственности. Жизнь возникла только тогда, когда начал действовать механизм репликации (копирование генетического материала).

Френсис Крик: «Мы не видим пути от первичного бульона до естественного отбора. Можно прийти к выводу, что происхождение жизни — чудо, но это свидетельствует только о нашем незнании».