Эволюция представлений о зарождении жизни на земле

Оглавление

1

Оглавление 1

Введение 2

Креационизм 3

Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни 4

Гипотеза биохимической эволюции (классический абиогенез) 5

Гипотеза панспермии 7

Гипотеза абиогенного зарождения жизни 9

Заключение 13

Список использованных источников 14

Введение

Одним из наиболее трудных и в то же время актуальных и интересных в современном естествознании является вопрос о происхождении жизни.

Жизнь – одно из сложнейших, если не самое сложное явление природы. Для нее особенно характерны обмен веществ и самовоспроизведение, а особенности более высоких уровней ее организации обусловлены строением более низких уровней.

Отличие живого от неживого заключается в нескольких фундаментальных направлениях: вещественном, структурном и функциональных планах его изучения. В вещественном плане в состав живого обязательно входят высокоупорядоченные макромолекулярные органические соединения, называемые биополимерами, – белки, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В структурном плане живое отличается от неживого клеточным строением. В функциональном плане для живых тел характерно воспроизводство самих себя.

Живые тела отличаются от неживых также наличием обмена веществ, способностью к росту и развитию, активной регуляцией своего состава и функций, способностью к движению, раздражимостью, приспособляемостью к среде и т.д.

Тайна появления жизни на Земле с незапамятных времен волнует людей. На протяжении веков менялись взгляды на эту проблему и было предложено большое количество самых разнообразных гипотез и концепций. Некоторые из них получили весьма широкое распространение и доминировали в те или иные периоды развития естествознания. Разнообразие взглядов вызвано тем обстоятельством, что точно воспроизвести или экспериментально подтвердить процесс зарождения жизни даже на сегодняшний день невозможно. Все теории преимущественно опираются на умозрительные представления исследователей как естественно-научного направления, так и придерживающихся теологических взглядов.

Креационизм

Креационизм (от лат. creaсio – создание) – философско-методологическая концепция, в рамках которой всё многообразие органического мира, человечества, планеты Земля, а также мир в целом, рассматриваются как намеренно созданные неким сверхсуществом или божеством. Никаких научных подтверждений этой точки зрения нет: в религии истина постигается через божественное откровение и веру. Процесс сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения.

Теории креационизма придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений. Согласно этой теории, возникновение жизни относится к какому-то определённому сверхъестественному событию в прошлом, которое можно вычислить. В 1650 году архиепископ Ашер из г. Арма (Ирландия) вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н. э. и закончил свой труд 23 октября в 9 часов утра, создав человека. Ашер получил эту дату, сложив возраст всех людей, упоминающихся в Библейской генеалогии, от Адама до Христа («кто кого родил»). С точки зрения арифметики, это разумно, однако при этом получается, что Адам жил в то время, когда, как показывают археологические находки, на Ближнем Востоке уже существовала хорошо развитая городская цивилизация.

Традиционное иудейско-христианское представление о сотворении мира, изложенное в Книге Бытия, вызывало и продолжает вызывать споры. Однако существующие противоречия не опровергают концепцию творения. Гипотеза творения не может быть ни доказана, ни опровергнута и будет существовать всегда вместе с научными гипотезами происхождения жизни.

Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни

С античных времен и до середины XVIIIв. ученые не сомневались в возможности самопроизвольного зарождения жизни. Считалось, что живые существа могут появляться из неживой материи, например рыбы – из ила, черви – из почвы, мыши – из тряпок, мухи – из гнилого мяса, а также, что одни формы могут порождать другие, например из плодов могут образовываться птицы и животные.

Так, Аристотель, изучая угрей, установил, что среди них не встречаются особи с икрой или молоками. На основании этого он предположил, что угри рождаются из «колбасок» ила, образующихся от трения взрослой рыбы о дно.

Первый удар по представлениям о самозарождении нанесли эксперименты итальянского ученого Франческо Реди, который в 1668г. в своем труде «Опыты о размножении насекомых» экспериментально опроверг распространённое в то время представление о возможности самозарождения организмов, показав, что личинки мух развиваются только из отложенных мухами яиц (затянув часть горшков с гнилым мясом кисеей, он смог воспрепятствовать откладке яиц мухами), утвердив принцип «Всё живое – из живого» (биогенез).

Н

Опыт Пастера

есмотря на это, идеи самозарождения сохранялись до середины XIX в. Только в 1862г. французский ученый Луи Пастер окончательно опроверг гипотезу самозарождения жизни, однако вопрос о ее происхождении так и не разрешил. Концепция самозарождения жизни, несмотря на свою ошибочность, сыграла позитивную роль в развитии естествознания, поскольку опыты, призванные ее подтвердить, помогли получить богатый эмпирический материал для развивающейся биологической науки.

Гипотеза биохимической эволюции (классический абиогенез)

В двадцатые годы XXв советский биолог А.И. Опарин и английский биохимик Дж. Холдейн экспериментально показали, что в растворах высокомолекулярных органических соединений могут возникать зоны повышенной их концентрации – коацерватные капли – которые в некотором смысле ведут себя подобно живым объектам: самопроизвольно растут, делятся и обмениваются веществом с окружающей их жидкостью через уплотненную поверхность раздела. В рамках этой концепции выделялись три этапа перехода от неживой материи к живой:

синтез исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы первобытной Земли;

формирование в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров, липидов, углеводородов;

самоорганизация сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процесса обмена веществ и воспроизводства органических структур, завершающееся образованием простейшей клетки.

Затем, в 1953 году, С. Миллер воспроизвел в колбе газовый состав первичной атмосферы Земли (исходя из состава современных вулканических газов), и при помощи электрических разрядов, имитирующих грозы, синтезировал в ней ряд органических соединений – в том числе аминокислоты.

Через некоторое время С. Фоксу удалось соединить последние в короткие нерегулярные цепи – синтез полипептидов; подобные полипептидные цепи были потом реально найдены, среди прочей простой органики, в метеоритном веществе. Этим и исчерпываются реальные успехи, достигнутые в рамках концепции абиогенеза.

Между тем, даже успешный синтез "живых" (т.е. биологически активных) макромолекул сам по себе проблемы не решает. Для того, чтобы макромолекулы заработали, они должны быть организованы в клетку, причем доклеточные формы жизни – вирусы – не могут рассматриваться, так как являются облигатными (т.е. обязательными) внутриклеточными паразитами, а значит и не могут являться предшественниками клеток, так как паразитируют на них. Пропасть, отделяющая полный набор аминокислот и нуклеотидов от простейшей по устройству бактериальной клетки, в свете современных знаний стала казаться еще более непреодолимой, чем это представлялось в прошлом веке.

Известна такая аналогия: вероятность случайного возникновения осмысленной аминокислотно-нуклеотидной последовательности соответствует вероятности того, что несколько килограммов типографского шрифта, будучи сброшены с крыши небоскреба, сложатся в 105-ую страницу романа "Война и мир". Абиогенез (в его классическом виде) как раз и предполагал такое "сбрасывание шрифта" - раз, 10 раз, 10100 раз – сколько понадобится, пока тот не сложится в требуемую страницу. Сейчас стало очевидно, что это просто несерьезно и невозможно: потребное для этого время (его вполне можно рассчитать) на много порядков превосходит время существования всей нашей Вселенной (не более 20 млрд. лет). В результате ученые оказываются перед неизбежной необходимостью признать прямое вмешательство в этот случайный процесс Бога; а раз так, то данная проблема вообще не относится к сфере науки. Таким образом, получается, что по крайней мере в рамках чисто химического подхода проблема зарождения жизни принципиально неразрешима.

Гипотеза панспермии

В качестве альтернативы абиогенезу выступала концепция панспермии (от греч. pan – весь, sperma – семя), связанная с именами таких выдающихся ученых, как Г. Гельмгольц, У. Томпсон (лорд Кельвин), С. Аррениус, В.И. Вернадский. Эти исследователи полагали, что жизнь столь же вечна и повсеместна, как материя, и зародыши ее постоянно путешествуют по космосу; Аррениус, в частности, в 1908г доказал путем расчетов принципиальную возможность переноса бактериальных спор с планеты на планету под действием давления света; предполагалось также, что вещество Земли в момент ее образования из газопылевого облака уже было "инфицировано" входившими в состав последнего "зародышами жизни".

Концепцию панспермии обычно упрекают в том, что она не дает принципиального ответа на вопрос о путях происхождения жизни, и лишь отодвигает решение этой проблемы на неопределенный срок. При этом по умолчанию подразумевается, что жизнь должна была произойти в некой конкретной точке (или нескольких точках) Вселенной, и далее расселяться по космическому пространству – подобно тому, как вновь возникшие виды животных и растений расселяются по Земле из района своего происхождения; в такой интерпретации гипотеза панспермии действительно выглядит просто уходом от решения поставленной задачи. Однако действительная суть этой концепции заключается вовсе не в межпланетных странствиях "зародышей жизни", а в том, что жизнь как таковая просто является одним из фундаментальных свойств материи, и вопрос о "происхождении жизни" стоит в том же ряду, что и, например, вопрос о "происхождении гравитации".

Легко видеть, что из двух исходных положений концепции панспермии – вечность жизни и повсеместность ее распространения – фальсифицируемым (т.е. проверяемым) является лишь второе. Однако все попытки обнаружить живые существа (или их ископаемые остатки) вне Земли, и прежде всего – в составе метеоритного вещества, так и не дали положительного результата. Неоднократно появлявшиеся сообщения о находках следов жизни на метеоритах основаны или на ошибочной интерпретации некоторых бактериоподобных неорганических включений, или на загрязнении "небесных камней" земными микроорганизмами. Метеоритное вещество оказалось достаточно богатым органикой, однако вся она, как оказалось, не обладает хиральной чистотой1; это последнее обстоятельство – весьма сильный довод против принципиальной возможности существования "межзвездной жизни". Таким образом, по крайней мере положение, касающееся повсеместности распространения жизни во Вселенной, не нашло подтверждения. Это заставляет сделать вывод, что панспермия, так же как и абиогенез, не дает удовлетворительного ответа на вопрос о возникновении жизни на Земле.

Гипотеза абиогенного зарождения жизни

Реальный прорыв в этой области обозначился лишь в последние 20-25 лет, и связан он был с приложением к проблеме возникновения жизни теории самоорганизующихся систем2. Манфред Эйген, немецкий физико-химик, в своей книге «Гиперцикл. Принципы самоорганизации макромолекул» (1972) предлагает объяснение того, как самовоспроизводящиеся макромолекулы объединяются в замкнутые автокаталитические химические циклы. Все это не имеет отношения к классическому абиогенезу: если Холдейн и Опарин сводили биологию к химии, то физхимик Эйген, сводит химию к биологии.

Эйген выдвинул концепцию образования упорядоченных макромолекул из неупорядоченного вещества на основе естественного отбора. Он начинает с того, что дарвиновский принцип естественного отбора (ЕО) - единственный понятный нам способ создания новой информации (это физическая величина, отражающая меру упорядоченности системы). Если имеется система самовоспроизводящихся единиц, которые строятся из материала, поступающего в ограниченном количестве из единого источника, то в ней с неизбежностью возникает конкуренция и, как ее следствие, ЕО. Эволюционное поведение, управляемое ЕО, основано на самовоспроизведении с "информационным шумом" (в случае эволюции биологических видов роль "шума" выполняют мутации). Наличия этих двух физических свойств достаточно, чтобы стало принципиально возможным возникновение системы с прогрессирующей степенью сложности.

В этом плане предшественником Эйгена является биохимик Г.Кастлер (1966), проанализировавший поведение системы нуклеиновых кислот в рамках теории информации. Он пришел к выводу, что новая информация возникает в системе, только если в ней происходит случайный выбор с последующим запоминанием его результатов, а не целенаправленный отбор наилучшего варианта. В последнем случае можно говорить лишь о реализации той информации, что заложена в систему изначально, то есть о выделении уже имеющейся информации из "шума". Сама же возможность возникновения "новизны" (т.е. акта творчества) определяется свойствами информации как таковой: как было показано А.А. Ляпуновым (1965), на нее не распространяются законы сохранения, т.е. информация, в отличие от материи и энергии, может быть заново создана.

Говоря об усложнении системы, необходимо упомянуть выводы одного из основоположников кибернетики, Дж. фон Неймана (1960), решавшего проблему самовоспроизведения автоматов. Оказалось, способность к самовоспроизведению принципиально зависит от сложности организации. На низшем уровне сложность является вырождающейся, т.е. каждый автомат способен воспроизводит лишь менее сложные автоматы. Существует, однако, вполне определенный критический уровень сложности, начиная с которого эта склонность к вырождению перестает быть всеобщей: "Сложность, точно так же, как и структура организмов, ниже некого минимального уровня является вырождающейся, а выше этого уровня становится самоподдерживающейся или даже может расти".

Итак, Эйгену "всего лишь" осталось найти класс химических реакций, компоненты которых вели бы себя подобно дарвиновским видам, т.е. обладали бы способностью "отбираться" и, соответственно, эволюционировать в сторону увеличения сложности организации. Именно такими свойствами, как выяснилось, и обладают нелинейные автокаталитические цепи, названные им гиперциклами. Здесь необходимо дать некоторые пояснения.

П

б

а

ростейшим случаем каталитической реакции является превращение исходного вещества (субстрат - S) в конечное (продукт - P) при участии единственного фермента (E); уже этот механизм требует по меньшей мере трехчленного цикла, который называется реакционным (рис. а), таким образом высокоэнергетическое вещество превращается в продукты, бедные энергией, при сохранении - т.е. циклическом воспроизведении - промежуточных компонентов (интермедиатов). Следующий за реакционным циклом уровень организации представляет собой каталитический цикл, в котором некоторые - или все - интермедиаты сами являются катализаторами для одной из последующих реакций. Каждый из них (Е) образуется из высокоэнергетического субстрата (S) при каталитической поддержке от предыдущего интермедиата (Ei) (рис. б). Таким образом, каталитический цикл как целое эквивалентен автокатализатору.

Е

б

сли же такие автокаталитические (т.е. самовоспроизводящиеся) единицы оказываются, в свою очередь, сочленены между собой посредством циклической связи, то возникает каталитический гиперцикл.

Гиперциклы (одним из простейших примеров которых является размножение РНК-содержащего вируса в бактериальной клетке) обладают рядом уникальных свойств, порождающих дарвиновское поведение системы. Гиперцикл конкурирует (и даже более ожесточенно, чем дарвиновские виды) с любой самовоспроизводящейся единицей, не являющейся его членом; он не может стабильно сосуществовать и с другими гиперциклами - если только не объединен с ними в автокаталитический цикл следующего, более высокого, порядка. Состоя из самостоятельных самовоспроизводящихся единиц (что гарантирует сохранение фиксированного количества информации, передающейся от "предков" к "потомкам"), он обладает и интегрирующими свойствами. Таким образом, гиперцикл объединяет эти единицы в систему, способную к согласованной эволюции, где преимущества одного индивида могут использоваться всеми ее членами, причем система как целое продолжает интенсивно конкурировать с любой единицей иного состава.

Итак, именно гиперцикл (который сам по себе - еще чистая химия) является тем самым критическим уровнем, начиная с которого сложность неймановского "самовоспроизводящегося автомата" перестает быть вырождающейся. Эта концепция, в частности, вполне удовлетворительно описывает возникновение на основе взаимного катализа системы "нуклеиновая кислота-белок" - решающее событие в процессе возникновения жизни на Земле.

Жизнь в форме активности химических соединений оказывается стабилизатором и катализатором уже существующих на планете геохимических циклов (прообразов экосистем); циклы при этом "крутятся" за счет внешнего источника энергии(Солнца), что представляет собой автокаталитическую систему, которая, соответственно, обладает потенциальной способностью к саморазвитию, и прежде всего - к совершенствованию самих катализаторов-интермедиатов. Отсюда становится понятным парадоксальный вывод, к которому независимо друг от друга приходили такие исследователи, как Дж. Бернал (1969) и М.М. Камшилов (1972): жизнь как явление должна предшествовать появлению живых существ, самих катализаторов-интермедиатов.

Заключение

Скачок от неорганического мира природы к органическому и затем к живому веществу очевиден, но объяснить эти переходы на основе физических, химических и биологических теорий пока не удается.

Проблема происхождения жизни остается камнем преткновения и в современном естествознании, поскольку нет достаточного доказательства ни для одной из выдвинутых гипотез.

Скорее всего, появление жизни произошло в ходе процесса самоорганизации материи, когда химическая эволюция после одной из точек бифуркации привела к появлению живого организма и началу биологической эволюции.

Дело в том, что наука вообще имеет дело лишь с неединичными, повторяющимися явлениями, вычленяя их общие закономерности и частные особенности; биологическая эволюция, например, является предметом науки лишь постольку, поскольку представлена совокупностью отдельных эволюционных актов. Между тем, такие явления, как Жизнь и Разум, пока известны как уникальные, возникшие однократно в конкретных условиях Земли. И до тех пор, пока ученые не разрушат эту уникальность (например, обнаружив жизнь на других планетах), проблема возникновения Жизни, обречена оставаться предметом философии, богословия, научной фантастики, но не науки: невозможно строить график по единственной точке.

Но как бы ни зародилась жизнь на нашей планете, с помощью ли внеземных цивилизаций или благодаря эволюции макромолекул, одно остается абсолютно очевидным – человечеству очень повезло.

Список использованных источников

Еськов, К.Ю. История Земли и жизни на ней: от хаоса до человека. – М.: НЦ Энас, 2004. – 540с.

Каменский, А.А. Общая биология: Учебное пособие. – М.: Дрофа, 2006. – 367с.

Крик Ф. Жизнь как она есть: ее зарождение и сущность. – М.: Институт компьютерных исследований, 2002. –159с.

Кожевников, Н.М. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для вузов – 4-е изд., СПб.: Лань, 2009. – 382с.

1 Многие органические соединения представляют собой смесь двух так называемых оптических изомеров - веществ, имеющих совершенно одинаковые химические свойства, но различающихся так называемой оптической активностью. Они по-разному отклоняют луч поляризованного света, проходящий через их кристаллы или растворы, и в соответствии с направлением этого отклонения называются право- или левовращающими. Сейчас достоверно известно, что все белки на нашей планете построены только из левовращающих аминокислот, а нуклеиновые кислоты - из правовращающих сахаров; это свойство, называемое хиральной чистотой, считается одной из фундаментальнейших характеристик живого.

2 Самоорганизующейся называют такую систему, которая обладает способностью корректировать свое поведение на основе предшествующего опыта (сам термин был введен в 1947 г. одним из создателей кибернетики физиологом У. Эшби).