2. Гипотезы о возникновении жизни на Земле

Гипотезы о возникновении жизни сводятся к нескольким точкам зрения:

1. Земное, скачкообразное происхождение из усложненных неорганических капель - “кооцерватов” (по А.Н. Опарину (1894–1980)) в уникальных условиях первичного океана Земли, так называемый «первичный бульон».

2. Концепция “панспермии” Сванте А. Аррениуса (1859–1927) и В.И. Вернадского (1864–1945) предполагает метеоритный занос простейших форм жизни на Землю из космоса (последние исследования бактерий на метеоритах, извлеченных из арктических льдов, подтвердили такую возможность). На основании этой теории можно сказать: жизнь – это свойство материи, которое проявляется в определенных условиях. Жизнь на Земле является результатом закономерной эволюции материи.

3. Одна из новых концепций происхождения жизни на Земле состоит в том, что произошел случайный переход от неживого к живому. Американский астроном, президент американской академии наук и искусств Харлоу Шепли (1885-1972) в свое время сказал, что «переход от неживого к живому является почти невозможной цепочкой в высшей степени маловероятных событий. Но во Вселенной, содержащей более 10²⁰ звезд, способных создавать вокруг себя планетные системы, за период времени не менее 10¹⁰ земных лет почти все могло произойти и повториться...».

3. Особенности живой природы

По данным современной геохронологии (геохронология - наука об эволюции Земли), возраст Земли - 4,7 млрд. лет (существуют и другие версии). Изменение химического состава литосферы, гидросферы, атмосферы определяли изменения биосферы Земли (биосфера - область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы). В биосфере живые организмы и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую открытую систему (открытая система - система, способная обмениваться энергией с другими системами).

Живое на Земле появилось спустя 1,2-1,7 млрд. лет после ее образования. Хотя живое вещество составляет всего 0, 01 % массы неорганики в пределах Земли, его влияние на природу приобрело космический масштаб, она влияет на всю геосферу, например, на состав атмосферы.

Биосфера создает условия для поддержания условий своего существования, так, например, образовались биогеоценозы - однородные участки земной поверхности (приземный слой атмосферы, солнечная активность, почва и т.д.) с определенным составом живых и неживых компонентов и динамическим взаимодействием между ними, что обусловило своеобразие видового состава живого в разных географических зонах Земли.

Живое вещество - особый тип материальных систем - совокупность живых организмов в биосфере Земли, способных к самовоспроизводству.

Признаки, отделяющие неорганическую природу от живой, составляют философскую проблему. Специфика жизни и живого может быть раскрыта в следующих положениях:

— обмен веществ организма со средой (дыхание, питание, раздражимость, активность, размножение, рост, смерть);

— самоорганизация организмов в соответствии с их генетически заданной программой, генно-хромосомной матрицей;

— эволюция организменных объединений в их борьбе за существование, наследственной изменчивости и мутационных ответах на вызовы внешней среды.

К живому веществу Земли относятся:

• растения (низшие и высшие). Они имеют способность к фотосинтезу, т.е. они синтезируют все необходимые органические вещества из неорганических;

• животные - организмы, имеющие способность к гетеротрофному питанию, т.е. они питаются готовыми органическими соединениями в виде других организмов;

• грибы - организмы, питающиеся растворенными с помощью выделяемых ферментов органическими субстратами, на которых они растут.

Современная клеточная теория (первую клеточную теорию в 1839 г. создал немецкий биолог Теодор Шванн (1810-1882) утверждает, что, во-первых, существует единство принципа строения и развития растений и животных, во-вторых, основным элементом у растений и животных является клетка, в-третьих, единство организма, структурно состоящего из клеток, обеспечивается за счет их взаимодействия, и, в-четвертых, внутри клетки содержится наследственная информация - информация, обеспечивающая свойство организмов повторять в ряду поколений сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом.

Любой живой организм можно представить в виде динамической системы, в которой одни химические соединения превращаются в другие, создавая необходимую для деятельности организма энергию, обеспечивая обновление белков. Совокупность этих превращений внутри клеток называется обменом веществ - метаболизмом.

Катализаторами химических реакций в организме являются ферменты. Фермент- это биологический катализатор, присутствующий во всех живых клетках и регулирующий обмен веществ; по химической природе практически все ферменты - белки. Белки представляют собой высокомолекулярные органические соединения. По структуре они относятся к полимерам, мономерами в которых (структурными единицами) являются аминокислоты. В центре молекулы аминокислоты находится атом углерода, именно это обстоятельство определяет важность присутствия углерода, в процессах зарождения живого во Вселенной. В зависимости от порядка чередования мономеров образуется множество различных видов белков. В организме человека более 10⁶ различных белков.

От набора ферментов зависит, какие именно реакции в организме будут протекать и белки какого вида содержатся в организме. Эти наборы всегда специфичны для каждого организма и определяются генетической информацией, которая «закодирована» в порядке чередования мономеров в полимере.

Решающая роль в биосинтезе белков принадлежит нуклеиновым кислотам. Одним из величайших событий XX века является открытие в 1953 г. дезоксирибонуклеиновой кислоты – ДНК американским биохимиком Джеймсом Уотсоном и английским биофизиком Френсисом Криком (лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине 1962 г.).

Вместе с ними Нобелевскую премию получил и английский биофизик Морис Уилкинс, впервые сделавший рентгенограмму молекулы ДНК и рибонуклеиновой кислоты – РНК, открытой английским химиком Александером Тоддом (Нобелевская премия по химии 1957 г.). Эти открытия позволили существенно развить генетику - науку о наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими, основоположником которой является австрийский естествоиспытатель Грегор Иоганн Мендель (1822-1884).

Молекула ДНК состоит из двух цепей, состоящих из мономеров нуклеотидов (нуклеотиды являются основой нуклеиновых кислот) и закрученных одна вокруг другой в спираль. В макромолекуле ДНК человека длиной около 1 м содержится около 10⁹ пар нуклеотидов. Макромолекулы ДНК содержатся в ядрах клеток живых организмов, присоединяя белок, составляют хромосомы (нуклеопротеиды), и являются носителями генетической (наследственной) информации или генетического кода. Этот код «записан» в отдельных участках молекул ДНК путем определенного сочетания рядом стоящих нуклеотидов. Каждый вид организмов обладает характерным и постоянным хромосомным набором. Если информацию о наследственности человека напечатать, то она займет более 500 тыс. страниц текста. Эти участки соответствуют определенным генам:

• Ген - единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо элементарного признака организма. Совокупности генов определяют генотип - наследственную конституцию организма, который, в свою очередь, определяет генофонд (наборы генотипов особей, составляющих данную популяцию). Генетическое тестирование, т.е. определение принадлежности к генотипу, сегодня стало обычной операцией. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводят к наследуемым изменениям в генотипе - мутациям.

• Геном - набор генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма, определяющий данный вид организма. Расшифровка геномов млекопитающих, рыб, насекомых и т.д. является задачей мирового научного сообщества на XXI век. Воспроизводство в клетке состоит их трех частей: репликация - удвоение молекулы ДНК, транскрипция - перенос генетического кода молекулами РНК, трансляция - синтез белков. Этот процесс очень напоминает процесс печатания книги в типографии: структура ДНК, предопределенная генетическим кодом, переносится на матрицу-молекулу РНК, по которой, в свою очередь, «отпечатывают» новый белок.

К настоящему времени разработаны методы искусственной компоновки генов в определенном порядке, составляющие основу биотехнологии и генной инженерии - целенаправленным конструированием сочетаний генов.

Таким образом, к настоящему времени очень результативным подходом в познании феномена живого оказался макромолекулярный подход. Он привел биологию к эпохальным открытиям в области молекулярных основ наследственности, установлению принципа универсальности для всего живого, к пониманию информационной сущности жизни.