Л.Н.Сухорукова
Известно,что целостной теории происхождения жизни в науке не существует. Имеется целыйряд идей и гипотез, высказанных ранее или развиваемых в настоящее время. Какдействовать учителю биологии в сложившихся условиях? Исключить эту проблему изпрограммы, следуя традиции изучать только устоявшееся и незыблемое? Выбратьодну гипотезу и не рассматривать другие? Сделать обзор гипотез?
Изучатьбиологию, не затрагивая сущности и происхождения жизни, так же, как иограничиться одной гипотезой – значит снизить познавательные возможностиучащихся, интерес к учению.
Опытпреподавания общей биологии показывает, что следует сделать обзор гипотез иоценить их вклад в научную картину мира. При этом важно учитывать, что всё ихмногообразие можно свести к двум взаимоисключающим подходам – биогенезу и абиогенезу.Сторонники биогенеза (от греч. “био” – “жизнь”, “генезис” – “происхождение”)полагали, что живое происходит только от живого. Их противники считаливозможным происхождение живого от неживого, то есть в той или иной мередопускали самозарождение жизни.
Гипотезы,основанные на идее абиогенного происхождения жизни, можно условно отнести кхимическим. Их авторы признают начало мира и определяют возраст жизни на Землев 3,5 – 4,5 млрд. лет.
Гипотезы,построенные на идее биогенеза и видящие истоки жизни в космосе, относятся кфизическим (космическим).
Биогенезоказался как бы в стороне от господствующего мировоззрения. Идеи о вечностижизни и её космическом происхождении не находят отражения в учебниках и учебныхпособиях. Напротив, абиогенный подход к изучению явлений стал хрестоматийным, краскрытию его cущности, этапов перехода химической эволюции в биологическуюсводится содержание тем, затрагивающих проблему возникновения жизни на Земле.Отдавая предпочтение абиогенезу, авторы учебников часто освещают егоодносторонне, ограничиваясь только гипотезой А.И. Опарина (7).
Безусловно,гипотеза А.И.Опарина стала определённым этапом в развитии идеи абиогенеза иимеет право на изучение в школе, однако при её анализе важно рассмотреть нетолько факты “за”, но и аргументы “против”.
Исходныйпостулат этой гипотезы: жизнь возникла в результате длительной химическойэволюции от атомов к простым молекулам ® макромолекулам ® пробионтам ®одноклеточным организмам. Поскольку абиогенный синтез не мог осуществляться вкислородной атмосфере, А.И. Опарин высказал предположение о восстановительномхарактере древней атмосферы земли (она состояла из метана, аммиака, углекислогогаза, паров воды и не содержала кислорода). Получается, что условиявозникновения модели специально конструируются применительно к ней, а затемрассматриваются как существовавшие на самом деле.
И.Г.Заварзин в этой связи замечает: “На все рассуждения относительно составаатмосферы предбиологического периода сильное влияние оказала идея о синтезе органическихвеществ. Собственно, чаще обсуждался вопрос о том, какой была атмосфера, а не отом, какой она должна была бы быть, чтобы обеспечить этот синтез” (6. С.21).
Новыенаучные данные расширили взгляды на состав древней атмосферы Земли: обсуждаетсявозможность существования не только восстановительной, но и нейтральной иокислительной атмосферы. Известно, что на Земле существуют два основныхисточника кислорода – фотохимические реакции и фотосинтез. Общепринято мнение,что скорость фотохимических реакций очень мала, чтобы обеспечить современныйуровень кислорода в атмосфере. Однако, с точки зрения геофизиков, если впериод, предшествовавший возникновению жизни, не существовало сложных процессовпоглощения свободного кислорода, то он мог находиться за счёт фотосинтетическихреакций в значительных количествах (всего за 60 млн. лет количество кислородадостигло бы величины, близкой к его современному содержанию в атмосфере) (6).Математическое моделирование палеоатмосферы также приводит к заключению, что засчёт абиогенных процессов древнейшая атмосфера Земли могла содержать в миллионраз больше кислорода, чем предполагалось ранее. Поскольку накопление кислородав атмосфере не может происходить без одновременного удаления из системы Землиэквивалентного количества водорода, то с космической точки зрения рассеяниеводорода в космическом пространстве – основная причина формированияокислительной атмосферы Земли (6. С.146).
Интересноепредположение о составе палеоатмосферы высказал В.И.Бгатов. По его мнению, абиогенныйкислород образуется в океанических впадинах при извержениях базальтов. Этотпроцесс мог иметь существенное значение для насыщения атмосферы кислородом наранних этапах эволюции планеты (3. С.86).
Еслиналичие кислорода как окислителя в древней атмосфере Земли будет убедительнодоказано, это приведёт к опровержению идеи абиогенного синтеза органическихсоединений и в целом гипотезы А.И.Опарина.
Известно,что все этапы абиогенеза, включая синтез мономеров, биополимеров, пробионтов,были смоделированы в лабораторных условиях и получили, таким образом,экспериментальное подтверждение. Но тогда логично поставить перед учащимисявопрос: правомерно ли проводить такие модельные эксперименты, если неучитывается главное условие эволюции – время?
Дляпонимания гипотезы А.И. Опарина важно также сообщить школьникам, что онапредставляет собой синтез биохимии и дарвинизма, только исходным свойствомжизни в ней признавался обмен веществ, на развитие которого и был направленпредбиологический отбор. Наследственность и изменчивость рассматривались какследствие, а не как предпосылка отбора.
Существеннозаметить, что, по А.И.Опарину, все этапы химической эволюции осуществлялись наЗемле, а все особенности жизни выводились из клеток (организмов),игнорировались надорганизменные системы.
Всвязи с этим логично обратиться к гипотезам Дж.Бернала (2) и Г.В.Войткевича(4).
Английскийбиохимик Дж.Бернал относит к самым существенным свойствам жизни одновременнообмен веществ и самовоспроизведение. Предполагается, что абиогенно возникшиенебольшие молекулы нуклеиновых кислот могли сразу соединиться с аминокислотами,которые они “кодируют”. Первичная живая система виделась как биохимическаяжизнь без организмов (ранняя биосфера), осуществлявшая самовоспроизведение иобмен веществ. Обособление отдельных участков биохимической жизни с помощьюмембран приводило к образованию организмов.
Вгипотезе Г.В.Войткевича возникновение органических веществ переносится вкосмическое пространство, однако самопроисхождение жизни по-прежнемусвязывается с Землёй. Образование межзвёздных молекул происходит на основечастиц космической пыли, состоящих из силикатного ядра и ледяной оболочки. Поддействием солнечной радиации аммиак и метан растворяются в воде, возникаютрадикалы, которые, комбинируясь друг с другом, образуют различные органическиесоединения. После разрушения пылинок эти соединения составляют молекулярныеоблака, рассеянные в космосе. По мнению Г.В.Войткевича, на первичной Земле могоказаться весь набор органических веществ, синтезированных в космосе, включаянуклеотиды и даже молекулы ДНК. При рассмотрении дальнейших этаповбиохимической эволюции Г.В.Войткевич следует идеям Дж.Бернала о биохимическойжизни.
Важноподчеркнуть, что именно в рамках химических гипотез обсуждаются вопросы,связанные со средой возникновения жизни: какая жизнь была первичной – воднаяили сухопутная? Зародилась ли она в океанических желобах, в прибрежных районахморей и океанов или в областях активной вулканической деятельности?
Взаключение обзора гипотез абиогенеза следует заметить, что обновлённая с учётомпоследних данных естествознания концепция А.И.Опарина служит программой длямногих исследователей, считающих возможным переход химической эволюции вбиологическую. Однако до настоящего времени между самыми сложными лабораторнымимоделями пробионтов и наиболее просто устроенными прокариотическими клеткамисуществует огромный разрыв.
Идеяабиогенеза согласуется с хорошо известной в естествознании гипотезой Большоговзрыва. Данная гипотеза предполагает, что наша Вселенная возникла 15-20 млрдлет назад в результате взрыва всего одного протона. С этого момента началосьрасширение Вселенной, продолжающееся и ныне, и превращение материи в атомы,сгустки звёзд, галактик и их скоплений.
Переходяк рассмотрению биогенеза, необходимо отметить, что непрерывное изменение миране обязывает нас искать в прошлом точку отсчёта, некоторое непременное начало,но позволяет думать, что мир вечен. Именно такой вывод вытекает из анализакосмических (физических) гипотез. В их основе лежит признание коренного отличияживого вещества от неживого (косного). У истоков этих гипотез стоят работыФ.Реди (1629-1698), развеявшего миф о самозарождении насекомых. Выводы учёногобыли сформулированы как эмпирическое обобщение: всё живое от живого.
Учащиесяс интересом узнают, что ещё в конце XVIII в. шотландский геолог Дж.Геттонвысказывал странно прозвучавшую тогда идею: в геологии не видно ни начала, никонца, геология имеет дело с явлениями геологично (планетарно) вечными, к нимотносится и жизнь. Идеи Геттона развил английский геолог И.Лайель,сформулировав принцип актуализма: факторы, которые действуют ныне, определялиразвитие природы в прошлом.
Л.Пастерне только блестяще доказал невозможность самозарождения микроорганизмов, но и обнаружилодну из существенных особенностей живого вещества – асимметрию. Она проявляетсяв элементарном составе живых организмов, который не соответствует составуземной коры, в преобладании одних изомеров и отсутствии других, а также вформах надмолекулярных, клеточных и организменных структур. Известно, чтоорганическим молекулам свойственна зеркальная материя. Они могут существовать вдвух структурных формах, схожих и вместе с тем отличных как левая и праваяладони. Но природные белки содержат только «левые» аминокислоты, ануклеотиды – только “правые” сахара. Неживой природе присуща тенденция кравновесию между “левым” и “правым”. Остановив внимание на асимметрии молекул,Л.Пастер противопоставил живые организмы, в которых преобладают только одниизомеры и отсутствуют другие, неживой природе, где разные изомеры представленыв равных соотношениях. Не видя в земных условиях причин, которые могли бывызвать асимметрию у первичных форм жизни, Л.Пастер связал их происхождение скосмосом, где широко распространены асимметричные процессы и формы. (1. С. 382– 383).
ИдеиЛ.Пастера созвучны работам французского физика П.Кюри, сформулировавшегофундаментальное эмпирическое обобщение: дисимметричные явления должныпорождаться столь же диссиметричными причинами (1. С. 384).
Особоевнимание при характеристике биогенеза следует уделить взглядам В.И.Вернадского(1; 5). Он был одним из первых учёных – естественников, который понялкосмическое значение факта появления жизни на Земле и начал систематическоеисследование её влияния на развитие планеты. Жизнь представлялась ему “буфером”между космосом и “косным” (неживым) веществом Земли, “буфером”, способнымиспользовать космическую энергию для преобразования планетарного вещества.Считая жизнь космическим явлением, В.И. Вернадский не ставил вопроса о том, какона возникла. Поэтому неверно считать его сторонником гипотезы панспермии, какоб этом иногда пишут в учебниках. Механизм панспермии – одна из возможныхпричин появления жизни.
ВзглядыВ.И.Вернадского на проблему происхождения жизни основывались на эмпирическихобобщениях, которые вытекают из многократно доказанных фактов, не подлежащихсомнению, и могут быть сведены к следующему:
Началажизни в том космосе, который мы наблюдаем, не было, поскольку не было началаэтого космоса. Жизнь вечна, поскольку вечен космос, и всегда передавалась путёмбиогенеза.
Жизнь,извечно присущая Вселенной, явилась новой на Земле, её зародыши приносилисьизвне постоянно, но укрепилась на Земле лишь при благоприятных для этоговозможностях.
Жизньна Земле была всегда. Время существования планеты – это время существования наней жизни. Жизнь геологически (планетарно) вечна. Возраст планеты неопределим.
Жизньникогда не была чем-то случайным, ютящимся в каких-то отдельных оазисах. Онабыла распространена всюду, и всегда живое вещество существовало в образебиосферы.
Древнейшиеформы – дробняки – способны выполнять все функции в биосфере. Значит, возможнабиосфера, состоящая из одних прокариот. Вероятно, такова она и была в прошлом.
Живоевещество не могло произойти от косного. Между этими двумя состояниями материинет никаких промежуточных ступеней. Напротив, живое вещество за счётспособности поглощать энергию Солнца многократно ускоряло эволюцию косноговещества планеты. (О роли живого вещества наглядно говорит сравнение двухровесниц – Земли и Луны).
Выводыпарадоксальные. Они противоречат традиционному миропониманию и находятся встороне от господствующей научной парадигмы о последовательном образованииЗемли как космического тела, затем появлении на ней жизни с последующимобразованием биосферы (1. С.298-310).
Теоретическиеположения В.И. Вернадского основываются на шести эмпирических обобщениях, скоторых начинается его “Биосфера”:
Никогдане наблюдалось в условиях Земли зарождения живого от неживого.
Вгеологической истории нет эпох, в которые отсутствовала бы жизнь.
Современноеживое вещество генетически родственно всем прошлым организмам.
Всовременную эпоху живое вещество так же влияет на химический состав земнойкоры, как и в прошлые эпохи.
Существуетконстантное количество атомов, захваченных в данный момент живым веществом.
Энергияживого вещества есть преобразованная, аккумулированная энергия Солнца.
Изучения о биосфере школьникам известно, что за счёт способности живого веществапоглощать энергию Солнца возникли геохимические циклы или круговорот веществ вприроде, в который вовлекались массы первичной материи. В результате возниклитолщи осадочных пород, которые преобразовались затем геологическими игеохимическими процессами. В этой связи внимание учащихся следует привлечь ковторому эмпирическому обобщению: в земной коре нельзя отыскать слоёв, свободныхот влияния живого вещества. Именно отсюда вытекает парадокс о невозможностиизмерения возраста Земли как космического тела, ибо мы будем находить в конценаших усилий только структуры, переработанные живым веществом. Анализдревнейших отложений земной коры – архейских пород – показал, что этоизменённые осадочные породы, отлагавшиеся в среде, где уже существовала жизнь.
Геологии радиометристы определяют не возраст планеты, а возраст пород, выпавших изжизненного круговорота, которые ушли вглубь, в осадок и более не входили вжизненные процессы. Поэтому сколько бы ни старались нащупать предельныевозрасты, мы будем лишь определять тот срок, который существовала даннаяструктура молекул, входившая ранее в живые тела.
Теоретическийтезис В.И.Вернадского о всегдашней “оживлённости” поверхности планетынапоминает Лаелевский принцип актуализма, успешно перенесённый из геологии вобласть явлений жизни: сегодняшнее состояние биосферы свидетельствует о еёпрошлом. Земля была “оживлена” всегда, и всегда жизнь существовала в формебиосферы. Древнейшие живые организмы – дробняки, несмотря на примитивноестроение, способны выполнять все функции живого вещества. Они настольковездесущи, что “встроены” почти в каждую химическую реакцию, происходящую наповерхности (в коре выветривания), в недрах, в горячих источниках, в воде, ввулканических выбросах. А поскольку скорость деления прокариот огромна, то иплоды их биохимической работы ошеломляющи (например, запасы руд Курскоймагнитной аномалии или Чиатурского марганцевого бассейна). Значит, в принципевозможна биосфера, состоящая из одних прокариот. И вполне возможно, что таковаона была в прошлом.
Прокариотысимволизируют собой некий особый путь эволюции, где организм нельзярассматривать отдельно от среды, так как они изменяют её своейжизнедеятельностью.
Идеяо “всегдашней оживлённости планеты” связана с идеей о “всюдности жизни”. Жизньне могла возникнуть только в каких-то отдельных оазисах (вулканическихобластях, морских лагунах, в океанических глубинах). Это противоречит расчётам,сделанным В.И. Вернадским, о скорости захвата организмами пространства: длябактерий она сравнима со скоростью звука в воздушной среде. Известно, что ониспособны нарастить массу, равную по весу земному шару, за несколько суток.
Всязагадочность тезиса о “всегдашней оживлённости планеты” связана со словом“всегда”, то есть с понятием времени. В.И. Вернадский подчёркивал, что всехарактеристики жизни и времени совпадают: жизнь и время необратимы, они всегданаправлены одинаковым образом из прошлого в будущее, то есть асимметричны.Время биологически содержательно, оно строится причинно обусловленными событиями:сменой поколений. Мерными единицами биологического времени В.И. Вернадскийсчитал делящиеся бактерии. Он утверждал, что мы не имеем права говорить овремени до создания биосферы. “Всегда” без жизни нет, а есть другие формывремени, которые нам, существам, принадлежащим к биологическому миру, не стольблизки и понятны.
Взаключение обзора гипотез биогенеза следует подчеркнуть, что благодаряисследованиям В.И. Вернадского космос и наша планета представляются единойсистемой, в которой живое вещество, жизнь связывают процессы, протекающие наЗемле, с процессами космического происхождения. Однако механизм проникновенияживой материи из космоса на Землю недостаточно ясен. Согласно современнымпредставлениям, многообразные бактерии были трансформированы на Землю около 3,5млрд лет назад кометами. Ледяные ядра комет могли быть той средой, в котороймикроорганизмы способны были длительное время сохраняться в состоянии анабиоза.(6. С. 165). Но пока споры бактерий не обнаружены ни в космическомпространстве, ни в метеоритах, ни в лунном грунте. Это побудило Ф.Крика иЛ.Оргела предположить, что Земля была “засеяна” космическими пришельцами.Предположения такого рода, по мнению Г.А. Заварзина, хотя и обходят вопрос опроисхождении жизни, встречают меньше противоречий, чем другие (6. С. 164).
Изсказанного очевидно, что ознакомление школьников с альтернативными подходами кпроблеме сущности и возникновения жизни невозможно осуществить, пока не будутизучены молекулярно-генетические основы жизни, уровни её организации (включаябиосферный), закономерности эволюции. Наиболее подходящее место для этого –тема “Развитие органического мира” (XI класс). К этому времени учащиесяовладеют содержанием курсов физики, химии, астрономии, создающими фундамент дляпонимания проблемы происхождения жизни. С другой стороны, ознакомление свопросами возникновения жизни позволяет логично перейти к рассмотрению этаповеё исторического развития, антропогенезу.
Опытпреподавания раздела общей биологии показывает, что информация о различныхгипотезах происхождения жизни вызывает большой интерес у старшеклассников. Наизучение этих вопросов должно быть отведено больше времени, чем то, чтопредусмотрено школьной программой. При этом не следует требовать от учащихсязапоминания и изложения всех рассмотренных гипотез. Важно добиться пониманияпричин их разнообразия, умения применять теоретические знания в процессеобсуждения и оценивания гипотез.
Интегрированныйи дикуссионный характер темы “Происхождение жизни на Земле” требуетспецифических методов и форм организации учебно-воспитательного процесса. Здесьособенно эффективны интегрированные уроки, диспуты, “круглые столы”,организуемые учителями физики, химии, астрономии, биологии.
Первыеуроки могут быть даны в форме лекции, которую поочерёдно проводят учителясмежных предметов. Основное время заключительного урока должно быть посвященодискуссии. С этой целью учащиеся делятся на две группы. Каждая группараскрывает сущность одного из двух альтернативных подходов, приводит аргументыв его пользу. Интересно, что, отстаивая противоположные подходы, школьникичасто опираются на одни и те же факты, истолковывая их в свою пользу. (То жеможно наблюдать и в научных дискуссиях). Например, существование оптическихизомеров аминокислот и нуклеотидов “защитники” биогенеза связывают с космосом,а сторонники абиогенеза рассматривают нарушение зеркальной симметрии в качествеэтапа химической эволюции. Наличие в космическом пространстве органическихсоединений может говорить как в пользу химической эволюции, так и о том, чтожизнь имеет космическое происхождение.
Впроцессе дискуссии учащиеся разных групп задают друг другу вопросы, следят зарассуждениями партнёров, находят в их высказываниях противоречивые утверждения,пробелы в аргументации, кратко и убедительно учатся отстаивать защищаемуюгипотезу.
Список литературы
АксёновГ.П. Владимир Вернадский. М.: Современник, 1993. 687 с.
БерналДж. Возникновение жизни. М.: Мир, 1969. 393 с.
БгатовВ.И. История кислорода земной атмосферы. М.: Недра, 1985. 174 с.
ВойткевичГ.В. Древность жизни и условия её зарождения // Биология в школе. 1987. №6.С.4-10.
ВернадскийВ.И. Биосфера. М.: Мысль, 1967. 374 с.
ЗаварзинГ.А. Бактерии и состав атмосферы. М.: Наука, 1984. 192 с.
ОпаринА.И. Жизнь, её природа, происхождение и развитие. 2-е изд. М.: Наука, 1968. 174с.
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.yspu.yar.ru/