3. Истоки жизни.

Осмысление проблемы происхождения жизни имеет длительную историю. Ее начальная форма представ­лена древними мифами (образ «древа жизни»). С развитием миро­воззренческой культуры тематика зарождения жизни перешла в религию и философию. С возникновением науки разнообразие взглядов на историю жизни не только увеличилось, но и приобрело качественно иной характер.

Концепция вечной жизни. Некоторые фило­софы и ученые (В. И. Вернадский и другие) полагают, что жизнь на Земле не возникала, она существовала всегда. Можно говорить только о различных изменениях форм жизни. В качестве аргумен­тов фигурируют два положения: а) совершенствование методов измерения геологического времени дает все более высокие оценки возраста Земли (от 6 тысяч лет до 5 миллиардов лет); 6) отсутствие экспериментов, подтверждающих зарождение жизни. Принцип «живое от живого» возводится здесь в мировоззренческую идею, объединяющую разных мыслителей. Это и виталисты с их при­знанием некоей жизненной, нематериальной силы и космист К. Э. Циолковский с его «вечно живыми атомами».

Религиозный креационизм: жизнь сотворена Богом. В древних религиях, где признавалось мно­жество богов, выделялся бог, ответственный за начало жизни. С появлением мировых религий причиной жизни становится единый Бог. Согласно иудейско-христианским представлениям мир и все живые организмы сотворены за два дня из шести дней творения (Библия). Креационизм (лат. creatio – создание) означает здесь то, что Бог как сверхъестествен­ное существо чудесным образом из ничего сотворил все живое. Такой акт требует со стороны человека религиозной веры.

Идея влияния внеземной цивилизации и космического разума. Представители ненауки нередко признают некую сверхцивилизацию, существующую во Вселенной и выступающую в роли своеобразного космического эксперимен­татора, который и занес жизнь на Землю. Из-за отсутствия серьез­ных аргументов здесь нет нужды в комментировании.

Наукообразная версия. И все же отдельные ученые делают по­пытки придать данному подходу научный характер. По мнению индийского астронома Ч. Викрамасингхе, жизнь на Земле возникла от общегалактической живой системы, где естественным путем родился разум, значительно превосходящий наш. Этот разум со­творил земную жизнь и выступает движущей силой ее эволюции, добавляя информационные гены из космоса в земные генетичес­кие системы. Таким образом, эволюция видов управляется вселен­ским разумом. Показательно то, что вариант космической жизни – разума в сути своей мало чем отличается от религиозной версии. И здесь, и там мировозренческий постулат никак не обусловлен какими-то факта­ми. Вера в любой форме недосягаема для рациональной критики.

Идея панспермии. В этой догадке жизнь также име­ет внеземное происхождение, но в качестве ее представителя призна­ются относительно низкие формы жизни. Идея панспермии (греч. pan – весь, sperma – семя) предполагает, что земная жизнь не яв­ляется единственной формой, ибо жизнь в виде некоторых «семян» широко распространена во Вселенной. Некоторые ученые XIX в. (Св. Аррениус и др.) разделяли данное учение.

Критика скептиков. Главный контраргумент сводился к тому, что космос губителен для всех проявлений жизни. Предположим, что в какой-то далекой галактике существует жизнь. Но как из таких удаленных мест семена жизни могут добраться до Земли? Если допустить их перемещение на кометах и метеоритах, то холод и космическая радиация все это погубит.

Семена на метеоритах. Но оказалось, что в рассуждениях американских ученых Д. Уормфлэша и Б. Вейса аргументация скептиков теряет свою критическую силу. Более тридцати метеоритов на Земле имеет марсианское происхождение. В начале 1980-х гг. американские исследователи об­наружили на Антарктиде осколок породы, выбитый когда-то с по­верхности Марса крупным метеоритом. Под электронным микрос­копом в толще камня обнаружены окаменевшие останки микроор­ганизмов, похожих на земные бактерии. Анализ на масс-спектро­метре также показал присутствие сложных углеводов. Стало быть, примитивная жизнь на Марсе существовала и, может быть, сущес­твует до сих пор. Кроме того, марсоходы передали информацию о том, что в прошлом на Марсе бушевали водные потоки и были формы жизни. Когда микроорганизмы попали на метеорит, то внутри его они нашли спасение от солнечного ультрафиолета. При прохождении земной атмосферы тепловой нагрев внутри метеорита не достигает 100 ⁰ С. Передача эстафеты жизни с Марса на Землю вполне вероятна.

Американские астрономы, изучая газо­вую туманность, отстоящую от Земли на 25 тысяч световых лет, выделили спектр, присущий аминокислотам и другим органическим веществам. В материале некоторых метеоритов были обнаружены опреде­ленные «предшественники живого» – цианогены, синильная кис­лота и органические соединения. Но скептики настаивали на доводе о том, что при очень низкой температуре космической среды и жес­тких излучениях любые формы жизни погибнут. Это положение решил опровергнуть голландский ученый М. Гринберг, считавший, что на нашу планету жизнь занесли кометы, в газовых хвостах ко­торых зародились клетки. В лаборатории он попытался воспроиз­вести основные кометные условия. Частички метана, окиси угле­рода и воды Гринберг довел до температуры минус 269° Цельсия, подверг ультрафиолетовому облучению. В результате возникли сложные органические соединения. Хотя некоторые видные совре­менные ученые (Ф. Крик) признают «направленную пан­спермию», большинство биологов скептически относятся к идее «космического посева».

Самопроизвольное зарождение жизни. В древних мифах все пред­ставлялось одушевленным и, стало быть, живым. Эту традицию пе­реосмыслили первые натурфилософы, когда стало формироваться мнение о различии живого и неживого. Они полагали, что из пер­воэлементов-стихий (вода, огонь, земля, воздух) возникли растения и животные. Указывались и некоторые промежуточные вещества – ил, тина и т. п. Аристотель подчеркнул непрерывность и посте­пенность перехода от неживого к живому («лестница существ»).

Самозарождение в опытах не наблюдается. В XVII в. итальянец Ф. Реди на простых опытах показал невозможность самозарождения. Он сформулировал вывод о том, что все живое возникает только от живого (мухи→личинки→черви). На основе изучения бактерий французский микробиолог Л. Пастер в 1860г. обосновал вывод Реди и сделал его универсальным.

Гипотеза биохимической эволюции. Самозарождение произошло очень давно. Эта догадка является научным варантом развития идеи самозарождения жизни. Выводы Реди и Пастера признаются здесь справедливыми, но только для современных условий на Земле. Если возраст Земли составляет примерно 5 млрд. лет, то в далеком прошлом все было не так как теперь. И тут некоторые ученые полагают, что в какой-то древний период истории Земли при особых условиях химическая эволюция перешла в биологическую ветвь эволюции. Вся суть проблемы сконцентрировалась в промежуточном звене между двумя эволю­ционными линиями.

Гипотетические версии. Все возникшие гипотезы предполага­ют две идеи: а) промежуточным звеном был доклеточный предок в виде молекулярной системы с исходным генетическим кодом («генобиоз»); б) искомой единицей выступила протоклеточная струк­тура со способностью к элементарному обмену веществ при содей­ствии некоторых ферментов («голобиоз»; греч. holos – весь). Вто­рая идея получила конкретизирующее развитие в трудах отечес­твенного биолога А. И. Опарина (1894-1980).

Протоклеточное образование. В 1923 г. А.И. Опарин выдвинул следующую гипотезу. Атмосфера первичной земли содержала воду, аммиак, двуокись углерода и метан. Отсутствие кислорода способствовало созданию органических веществ (это подтверждают опыты). Энер­гию для синтеза органических углеводородов давала высокая ультрафиоле­товая радиация Солнца (озонового слоя еще не было). В океанах стали постепенно накапливаться органические вещества с образо­ванием «первичного бульона» как источника жизни.

Для проверки этой концепции в 1953 г. С. Миллер провел опыты, где синтезировал ряд аминокис­лот, аденин, рибозу. После этого Орджел в сходных эксперимен­тах получил простые нуклеиновые кислоты.

Бульон нагревается вулканом. К представлению Опарина о «пер­вичном бульоне» близка гипотеза немецкого исследователя Г. Вехтерсхойзера о том, что источником жизни стали подводные вулка­ны. В их кратерах есть минералы из соединений железа и серы, обладающие свойствами катализатора. Микробиолог О. Стеттлер на батискафе обследовал один из таких вулканов и обнаружил на километровых глубинах, больших давлениях и температуре более 300° Цельсия растения и животных.

Роль коацервации. В теории Опарина в эволюционном пути к организмам решающую роль играют белки. Они притягивают к себе молекулы воды и создают вокруг них оболочку. Слияние та­ких комплексов дает коацервацию (лат. coacervus – сгусток, куча), т. е. отделение коллоидных гелей от водной среды. Коацерваты об­разовали ферменты, дальше шло формирование липидной оболоч­ки и примитивной клетки.

Серьезные проблемы. В этом сценарии перехода от сложных ор­ганических веществ к простым живым организмам существует много белых пятен. Так, здесь нет даже намека на возможное объ­яснение того, как возникла способность к самовоспроизведению. Но, несмотря на это, рассмотренная гипотеза остается одной из са­мых перспективных направлений биологической науки.

Современные версии коацервации. Бельгийский биохимик М. Флоркин (1900-1979) конкретизировал концепцию Опарина идеей становления жизни через эволюцию химических сетей. Случайное варьирование разных реакционных путей вело к их усложнению и канализированию. В 1997 г. А. В. Олескин, И. В. Ботвинко и Т. А. Кировская вполне убедительно признали доклеточным предшественником игру малых молекул: полиметаллов (Fe²⁺, Zn²⁺, Al³⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Mg²⁺), соединения серы, фосфора, азота и аминокислоты. Функция наследственной передачи признаков первоначально зависела от «неорганических генов» – матриц для синтеза молекул, построенных на основе алюминосиликатов глины. Сложился следующий сценарий. Дождевые капли, пронизанные ультрафиолетом Солнца, поглощали частицы соединений металлов и неметаллов в ходе пыльных бурь. Их поверхность оказалась достаточной для фотоиндуцированного гетерогенного катализа и последующего синтеза сложных молекул. С дождевыми потоками эти капли поступали в океан, где жизнь дозревала по опаринскому сценарию.

Современные биохимики конкретизируют детали возможного процесса коацервации. Капли, вобравшие в себя соединения металлов и неметаллов, провзаимодействовали с парафинами в составе океана. Формировались липиды – маслянистые вещества – одни молекулы которых притягивали воду, а другие ее отталкивали. Из капелек формировались двухслойные пленки, а они образовывали замкнутые липидные пузырьки, окруженные мембраной. Последние стали осуществлять отбор нужных фосфатных молекул, пузырьки же приобрели способность преобразовывать солнечную энергию в энергию электричества. Далее пузырьки усвоили соединения азота, развернули ферментный катализ и сформировали упрощенный вариант белкового синтеза. Протоклетка стала полноценной клеткой.

Г. Меллер (США) предположил, что вначале возникли нуклеиновые кислоты как матричная основа синтеза белков. В начале 1980-х гг. была установлена способность РНК к саморепродукции в отсутствие белковых ферментов. Древняя РНК совмещала в себе черты генотипа и фенотипа, т.е. была подвержена как генетическим преобразованиям, так и естественному отбору. Процесс эволюции шел от РНК к белку, а затем к молекулам ДНК.

Биолог Л. Маргулис (США) обратила внимание на чрезвычайную активность бактерий. Каждый день они выбрасывают до 15 % своих генов и поддерживают в биосфере свою глобальную обменную сеть. Вполне возможно, что и на заре жизни они внесли важный вклад. За счет обмена генами в первые два млрд. лет бактерии заложили прокариотную основу биосферы. Затем они создали эукариотов путем особого симбиоза (греч. symbiosis – совместная жизнь). Длительное пребывание бактерий в составе крупных клеток преобразовало последние в ядерные структуры. Бактерии стали ядерными органеллами и началась эра эукариотов.

Учение Вернадского о биосфере. Идею биосферы высказал французский ученый Ж. Б. Ламарк (1744 -1829). Данный термин ввел в научный оборот в 1875 г. австрийский палеонтолог Э. Зюсс. Современный и развернутый смысл понятия «биосфера» (греч. bios - жизнь, sphaira - шар) разрабо­тал русский ученый В. И. Вернадский (1863—1945). В 1919 г. он вы­сказал основную идею живого вещества, а в 1926 г. дал детальное учение.

Развитие материи к живому веществу и его эволюция. Самый низший уровень земной материи – это «косное вещество», состоящее из разнообразия неживых тел: минералов, горных пород, воды и воздуха. Здесь господствуют обратимые циклические обращения. «Биокосное вещество» демонстрирует различные сочетания косного и живого: почву, нижнюю часть атмосферы и верхний слой воды. Самую высокую сложность являет «живое вещество», состоящее из микроорганизмов, растений и животных. Оно совершенствуется в ходе необратимой эволюции таксонов. Если в косных телах медленно течет геологическое время, то в живых чрезвычайно быстро пульсирует историческое время. За одну секунду геологического времени проходит сто тыс. лет исторического времени. Вот почему можно считать, что жизнь существует практически вечно.

Биосфера – это система жизни в земле, воде и воздухе. У жизни есть свое микропространство, обладающее асимметрией: белки поляризуют свет вправо, а нуклеиновые кислоты – влево (Л. Пастер, 1862). Своими геохимическими функциями (энергетическая, концентра­ционная, деструктивная, средообразующая, транспортная) биос­фера сформировала атмосферу, гидросферу, литосферу и геосфе­ру. Таково большое пространство жизни. Пищевые и обменные связи между ее элементами дали биосфере силу сформировать его. Они составили функциональную основу закона кон­центрации энергии в живом веществе. Благодаря ему биосфера обрела планетарное единство, став динамически устойчивым «мо­нолитом жизни».

Био­сфера - это оболочка нашей планеты, где живое взаимодействует с преобразованной косной природой. Жизнь сосредоточена в трех областях: а) аэробиосфере (жизнь в воздухе); б) гидробиосфере (жизнь в открытой воде); в) литобиосфере (жизнь внутри земной тверди). Фитосфера как наиболее продуктивный слой на суше вместе с фотосферой (освещенные слои гидросферы) образуют активную пленку жизни. Также густо населен нижний слой аэро­биосферы высотой до 50 метров от земной поверхности. По мере возвышения мощное дыхание жизни постепенно угасает и прекра­щается на высоте после 33 км. В гидротермах дна океана на глубинах в 3 км и давлении около 300 атмосфер обнаружены организмы, живущие при 250°С. Вода тут не кипит из-за высокого давления. В ходе бурения дна Атлантического океана английские ученые на глуби­не четырех километров в грунте обнаружили неизвестные бакте­рии. Жизнь существует и в глубинах земной тверди, особенно в подземных водах (пещерные водоемы, пластовые воды). В жизни подземных животных и бактерий нет сезонных ритмов, они актив­ны круглогодично.

Биосфера существует как открытая система. На ее входе имеет­ся космическое излучение со значительной энергией, а также кос­мическое вещество. На выходе биосферы наблюдаются осадочные биогенные породы и уходящие в космос газы.

Важным космическим условием жизни стало оптимальное положение планеты Земля по отношению к Солнцу. Если бы наша планета была бы к нему значительно ближе, то чрезмерное тепло не дало бы жизни никаких шансов. Более далекое расположение обусловило бы холод, также губительный для жизни. Кроме того, наклон земной оси к плоскости орбиты оптимален и устойчив, что дает постоянство климата на планете. У Марса ось вращения непрерывно меняется и температура на поверхности колеблется от – 60 ⁰ до + 50 ⁰ С. Для Земли стабилизатором оси выступает Луна. Основным внешним энергетичес­ким источником эволюции биосферы было и остается солнечное излучение. На ранней стадии оно обусловило окисление минераль­ных веществ, а затем и фотосинтез. С появлением травоядных, хищников и разлагающих организмов сформировался устойчивый вещественно-энергетический цикл. Продуктивность жизни резко возросла и объем биомассы стал стремительно увеличиваться. В росте разнообразия жизни важную роль сыграло не только геогра­фическое расселение видов, но и климатические катаклизмы. Так, периодические отклонения Солнечной системы от плоскости Га­лактики под влиянием звезды Немезиды ведут к активным геоло­гическим процессам, существенно обновляющим характер биоге­оценозов. Какая-то мощная космическая катастрофа 65 млн. лет назад привела к гибели до 80% видов жизни. Но на месте исчезнув­ших гигантских рептилий быстро появились млекопитающиеся, давшие современный животный мир. Таким образом, биосфера не раз демонстрировала свою устойчивость по отношению к космическим ударам.

Жизнь осуществляет циклические потоки атомов в биосфере. Биосфера производит биогеохимические токи атомов: круговороты кислорода, водорода, азота, углерода, воды и углекислого газа. Составляя 0,01 долю всей биосферы, жизнь стала мощной геохимической силой. Вместе с тем, такая активность стабилизирована. Вернадский сформулировал закон – для данного геологического периода количество живого вещества биосферы постоянно. Если в одном месте Земли количество видов убавляется, то в другом месте – прибавляется. Предельная совокупность жизни образовалась за 60 млн. лет. В пос­ледующие 50 млн. лет число видов не увеличивалось. Все это гово­рит о том, что хотя ресурсы биосферы огромны, все же они конеч­ны и исчерпаемы.

Эволюция биогеоценозов. Данную теорию в 1940 г. разработал российский ботаник В. Н. Сукачев как дополнение и развитие концепции биосферы. Биогеоценоз представляет собой един­ство биоценоза как совокупности популяций, проживающих в одной эконише из косной среды. Под послед­ней подразумевается вещество, физические поля и энергия. В зависимости от их пе­реработки и усвоения выделяются три типа биообразований: про­дуценты (лат. producens – производящий) – первичный уровень жизни, непосредственно перерабатывающий косную материю (водоросли, растения, микроорганизмы); консументы – вторич­ный уровень, где вещество и энергия получаются за счет исполь­зования продуцентов (растительноядные животные); редуцен­ты (лат. reducere – отодвигать назад) как третичный уровень, представители которого живут за счет консументов (паразиты, хищники).

Через данные три уровня проходит круговорот вещества, т.е. при прямом и непосредственном участии жизни идет использова­ние, переработка и восстановление вещественных структур. Ста­ло быть, осуществляется биогенная миграция атомов. Что касается энергии, то с одного уровня иерархии на другой, более высокий уровень переходит около 10% энергии, поступившей на предыду­щий уровень. Обратный поток не превышает 0,5%. Отсюда ясно, что круговорота энергии в биогеоценозе не существует, имеется однонаправленный энергетический поток.

За рубежом популярна гипотеза Геи как единого суперорганизма с развитым гомеостазом. По сути дела её можно оценить в качества слабого варианта концепции биосферы Вернадского.