Тема 3.4. Проблема происхождения жизни: возможности естествознания Возможности методов естествознания в решении проблемы происхождения жизни

Эволюционная парадигма, утвердившаяся в современном естествознании, предполагает поиск ответа на вопрос об истоках, начале жизни на Земле. Проблема происхождения жизни является одной из важнейших не только в биологии, но и во всем естествознании, и имеет большое мировоззренческое значение. Возможности науки в решении проблемы происхождения жизни ограничены. В силу уникальности жизни и удаленности рассматриваемых событий во времени, все гипотезы происхождения жизни носят достаточно умозрительный характер, их невозможно полностью проверить прямыми наблюдениями или экспериментами.

Гипотезы происхождения жизни. Протожизнь. Возникновение клетки

На сегодняшний день известно несколько гипотез происхождения жизни:

         креационизм;

         гипотеза самозарождения;

         гипотеза стационарного состояния;

         гипотеза панспермии;

         гипотеза химико-биологической (биохимической) эволюции.

Креационизм (от англ.creation– создание) – религиозно-философская концепция, в рамках которой все многообразие органического мира, человечества, планеты Земля, а такжемира в целом, рассматривается как результат сверхъестественного (божественного) творения.

Особенностью многих религий, в том числе христианства, иудаизма и ислама, является наличие священных текстов, содержащих в том или ином варианте фрагменты, описывающие сотворение мира, живых существ и человека. Накопление фактических данных различных наук и становление в XIX–XX вв. эволюционных теорий в области геологии, биологии, космологии привели к возникновению противоречия между буквальным прочтением этих текстов и научными данными. Результатом этого противоречия стало возникновение в рамках креационизма отдельных течений. Фундаменталистские, ортодоксальные течения настаивают на буквальной интерпретации священных текстов, объявляя воззрения науки на происхождение мира и человека неверными, в то время как более либеральные течения пытаются найти компромисс между религиозными взглядами и данными науки.

Приверженцы ортодоксального креационизма настаивают на буквальном следовании Книге Бытия Ветхого Завета, то есть на том, что мир был создан в точности так, как это описано в Библии – за 6 дней около 6 000 лет назад. И с тех пор Земля и жизнь на ней остаются неизменными. В рамках этого варианта креационизма данные археологии, геологии, палеонтологии и т. д., говорящие о гораздо более длительном существовании и необратимом преобразовании планеты в целом и ее биосферы, не рассматриваются как факты, имеющие доказательное значение.

Последователи неортодоксального (метафорического, либерального)креационизмасчитают, что текст Библии зашифрован, и «6 дней творения» в нем – универсальная метафора, адаптированная к уровню восприятия людей с различным уровнем знаний; в действительности же одному «дню творения» соответствуют миллионы или миллиарды реальных лет (слово “день” на древнееврейском означает не только сутки, а часто указывает на неопределенный отрезок времени). Среди метафорических креационистов в настоящее время наиболее часто встречаются:

–         креационизм постепенного творения: согласно этой концепции, Бог непрерывно направляет процесс появления и изменения биологических видов. Представители данного направления принимают геологические и астрофизические данные и датировки, однако полностью отвергают теорию эволюции и видообразование путем естественного отбора;

–         эволюционный креационизм: признается теория эволюции, однако утверждается, что эволюция путем естественного отбора является орудием Бога-Творца в осуществлении его замысла.

Все эти концепции, при их внешних различиях, имеют одну общую существенную особенность – их положения таковы, что не допускают попыток эмпирического опровержения, под них можно подвести любой факт (не выполняются принципы верификации и фальсификации). Таким образом, основанный на вере и не нуждающийся в доказательствах креационизм не относится к области науки.

Гипотеза многократного самопроизвольного зарождения жизни. Согласно этой гипотезе, определенные “частицы” вещества содержат некое “активное начало”, которое при подходящих условиях может создать живой организм. Поэтому жизнь возникает на Земле спонтанно, неоднократно, в том числе в современных условиях. Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне, Древнем Египте и Древней Греции в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Аристотель (384–322 гг. до н. э.), которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения жизни. Он полагал, что активное начало присутствует в солнечном свете, тине игниющем мясе, что приводит к зарождению из этих субстратов червей, моллюсков, рыб и т. п.Несмотря на распространение христианства, эта идея продолжала существовать и в средневековой Европе. Так, Ван Гельмонт описал эксперимент, в котором он за три недели якобы создал мышей. Для этого нужны были грязная рубашка, темный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом в процессе зарождения мыши Ван Гельмонт считал человеческий пот.

В 1688 г. итальянский биолог и врач Франческо Реди подошел к проблеме возникновения жизни более строго и подверг ее сомнению. Реди установил, что маленькие белые червячки на гниющем мясе появляются только в том случае, если на его поверхность садятся мухи. То есть они не самозарождаются, а развиваются из яиц, отложенных мухами на мясо. Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждающие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза).

В то время как эксперименты Реди, казалось бы, опровергли спонтанное зарождение животных, первые микроскопические исследования Антони ван Левенгука усилили эту теорию применительно к микроорганизмам.

В 1860 г. проверкой гипотезы самопроизвольного зарождения жизни занялся французский микробиолог Луи Пастер. Своими опытами он доказал, что микроорганизмы вездесущи и что неживые материалы легко могут быть заражены ими, если их не стерилизовать должным образом. Ученый помещал в колбы с простым широким горлышком и в колбы с вытянутым узким S-образно изогнутым горлышком питательные среды, в которых могли бы образоваться микроорганизмы. Он подвергал содержимое этих колб длительному кипячению, при этом микроорганизмы и их споры погибали. Горлышки тех и других колб после кипячения оставались открытыми. Через некоторое время в колбе с простым горлышком размножались микроорганизмы, но в колбе с изогнутым горлышком прокипяченная питательнаясреда оставалось стерильной, в ней не обнаруживалось зарождения жизни, несмотря на то, что доступ воздуха был обеспечен. Дело в том, что споры микроорганизмов оседали на изогнутой трубке и не могли проникнуть в питательную среду. Чтобы доказать это, Пастер наклонял колбу так, что жидкость омывала изгибы горлышка. После этого и в этой колбеобнаруживались микроорганизмы. В результате ряда экспериментов Пастер окончательно опровергтеорию спонтанного зарождения и доказал справедливость принципа “живое из живого”.

Гипотеза стационарного состояния. Согласно этой гипотезе, Земля и жизнь на ней существовали всегда, причем в неизменном виде. Отдельные биологические виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности – либо изменение численности, либо вымирание. Сторонники этой теории не признают, чтоналичие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб – латимерию. По палеонтологическим данным считалось, что кистеперые вымерли в конце мелового периода. Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в районе Мадагаскара были найдены живые представители кистеперых. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте. Так, например, внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков.

Однако гипотеза стационарного состояния в корне противоречит данным современной астрономии и космологии, которые указывают на конечное время существования любых звезд и, соответственно, планетных систем вокруг звезд и наличие у Вселенной в целом возраста. По современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада, возраст Земли, Солнца и Солнечной системы исчисляется ~4,6–5 млрд лет, а возраст Вселенной оценивается примерно в 15 млрд лет. В невечной, нестационарной Вселенной невозможна вечная стационарная жизнь, поэтому данная теория в настоящее время почти не имеет сторонников.

Гипотеза панспермии (от греч. отπαν(pan) – весь, всякий иσπερμα(sperma) – семя) связывает появление жизни на Земле с занесением из космического пространства неких “зародышей жизни”. Эта гипотеза была выдвинута немецким ученым Г. Рихтером в 1865 г. и поддержанная Г. Гельмгольцем и С. Аррениусом.

Согласно панспермии, рассеянные в мировом пространстве зародыши жизни – “космозои” (например, споры микроорганизмов) – переносятся с одного небесного тела на другое с метеоритами или под действием давления света. С помощью панспермии объясняли и появление жизни на Земле. После открытия космических лучей и выяснения губительного действия радиации на биологические объекты позиция гипотезы весьма ослабла, кроме того, в этом варианте панспермия не рассматривает вопрос о происхождении жизни, подменяя его вопросом о переносе жизни.

Интерес к этой гипотезе вновь возрос после того, как в межзвездном пространстве и в пылевых протопланетных дисках астрономами были обнаружены аминокислоты, различные спирты и сахароза, углекислый газ, полициклические ароматические углеводороды и органические азотные соединения, молекулярный кислород. Эти вещества могут служить основой для образования сложных биополимеров – белков, нуклеиновых кислот, а также их конгломератов, обладающих свойствами живого. Некоторые исследователи утверждают, что в кометах за счет энергии распада радиоактивных элементов вода может поддерживаться в жидком состоянии в течение миллионов лет, а присутствие ряда углеводородов обеспечивает еще одно важное условие, благоприятное для зарождения жизни. Полученные в 2006 г. результаты миссии Deep Impact по исследованию кометного вещества неопровержимо доказывают наличие в нем воды и простейших органических соединений. Это указывает на кометы как на один из возможных переносчиков жизни во Вселенной. В последнее время особенно часто идеи панспермии упоминаются в контексте обмена веществом между Землей и Марсом, когда на его поверхности еще было много воды. Концепция панспермии разделяется многими современными учеными, но ее недостатком является поверхностное рассмотрение процессов, которые должны приводить к первичному зарождению примитивных живых структур в космическом пространстве.

Гипотезабиохимической эволюции. В концепции биохимической эволюции важную роль играет эволюция самой планеты Земля. Согласно этой гипотезе, жизнь зародилась на Земле однократно, естественным путем в результате геологических, химических, а затем биохимических процессов, реализовывавшихся в ходе эволюционных преобразований нашей планеты как открытой неравновесной системы. Жизнь появилась на Земле как достаточно вероятный результат самоорганизации.

Научная постановка проблемы естественного происхождения жизни принадлежит Ф. Энгельсу, считавшему, что жизнь возникла не внезапно, а сформировалась в ходе эволюции материи.

Одним из основоположников гипотезы биохимической эволюции был известный биохимик Александр Иванович Опарин (1894–1980). В 1924 г. в книге «Происхождение жизни» он высказал предположение, что появлению жизни на Земле предшествовал длительный этап спонтанного абиотического синтеза простых, а затем сложных органических веществ, накапливавшихся в древней атмосфере и гидросфере. Подобные взгляды в 1929 г. высказал кембриджский профессор Дж. Холдейн. Эта гипотеза получила название коацерватной гипотезы Опарина-Холдейна.

Основные положения этой гипотезы таковы. На первобытной Земле около 4–4,5 млрд лет назад в результате вулканической деятельности сформировалась лишенная кислорода атмосфера, которая имела восстановительный характер, то есть состояла из аммиака, метана, углекислого газа, сероводорода и паров воды. Первый этап биохимической эволюциизаключался в том, что за счет энергии мощных электрических грозовых разрядов и извержения вулканов молекулы этих газов объединялись в простейшие органические соединения: углеводороды, простые альдегиды, спирты, сахара, азотистые основания и аминокислоты. Другими словами, в бескислородной атмосфере шелспонтанный абиогенный синтез органических мономеров, необходимых для органической жизни. Эти соединения растворялись в воде и накапливались в мировом океане, образуя так называемый “первичный бульон”.

С образования первичного органического бульона начался второй этапбиохимической эволюции: в тех частях океана, где концентрация простых органических веществ становилась особо высокой, в соответствии с принципом Ле Шателье начались реакции, направленные на снижение концентрации раствора, то есть реакции полимеризации. В водах Мирового океанаспонтанно синтезировались органические полимеры– белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты.

На третьем этапедальнейшее повышение концентрации органики в древней гидросфере планеты привело к тому, что отдельные молекулы полимеров все чаще взаимодействовали друг с другом, вступая в реакции обмена, замещения, а также образуя за счет водородных связей относительно устойчивые органические многомолекулярные комплексы, или фазовообособленные системы –коацерватные капли, или коацерваты. Коацерваты еще не были живыми существами, но уже могли осуществлять ряд функций живого – простейший обмен веществ, рост, развитие. Их возникновение рассматривают как стадию развитияпреджизни(протожизни). Химическая эволюция коацерватов привела к появлению наЗемле первых живых организмов. Так химическая эволюция преобразовалась в биологическую.

Наиболее важным этапом в происхождении жизни было возникновение механизма воспроизведения себе подобных и наследования свойств предыдущих поколений. Это стало возможным благодаря образованию сложных комплексов нуклеиновых кислот и белков. Нуклеиновые кислоты, способные к самовоспроизведению, стали контролировать синтез белков, определяя в них порядок аминокислот. А белки-ферменты осуществляли процесс создания новых копий нуклеиновых кислот. Так возникло главное свойство, характерное для жизни – способность к воспроизведению подобных себе молекул.

Начало серии работ, посвященных экспериментальной проверке некоторых положенийэтой гипотезы, было положено американским ученым С. Миллером в 1953 г. Пропуская электрические заряды через смесь вышеуказанных газов и паров, помещенных в замкнутую колбу с подогревом и холодильником, он через неделю получил простейшие жирные кислоты, мочевину, уксусную и муравьиную кислоты и несколько аминокислот. Советские ученыеА. Г. Пасынский и Т. Е. Павловская (1956) показали возможность образования аминокислот при ультрафиолетовом облучении газовой смеси формальдегида и солей аммония. С. Фокс (1969) путем спонтанного синтеза получил аминокислоты, полипептиды и белковоподобные вещества. Таким образом, в середине XX в. был экспериментально осуществлен абиогенный синтез органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли.

Модельные опыты с фазовообособленными системами, или пробионтами, проводимые, в частности, А. И. Опариным и сотрудниками с коацерватными каплями, выделяющимися из водного раствора разнообразных органических полимеров, показали, что эти системы обладают способностью поглощать из окружающего их раствора разнообразные богатые энергией вещества и за их счет расти, увеличиваясь в размерах и массе. При этом скорость указанного процесса определяется свойственной каждой индивидуальной капле химической и пространственной организацией, так что две разновидности капель, находящиеся в одинаковом растворе, ведут себя различно. Одни растут быстро, тогда как рост других замедлен, и может даже происходить их полный распад. Описанные модельные опыты показывают возможность примитивного “отбора” капель в зависимости от характера их взаимодействия с внешней средой. С. Фокс с сотрудниками (с 1964) исследовал микросферы – шаровидные образования, возникающие при растворении и последующей конденсации белковоподобных веществ, полученных им абиогенным путем.

В зависимости от того, что считается первичным, различают два методологических подхода к вопросу возникновения жизни:

1.       Генобиоз– методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода.

2.       Голобиоз– методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на идее первичности структур, наделенных способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма.

По мнению многих специалистов, возникновение и совершенствование приспособленности внутримолекулярного строения белков и нуклеиновых кислот к выполняемым ими в организмах функциям могло происходить только на основе естественного отбора, которому подвергались целостные эволюционирующие системы – пробионты – и возникавшие из них живые существа. В результате длительной эволюции и естественного отбора пробионты превратились в системы более высокого порядка, какими являются живые организмы. Появление нуклеиновых кислот как носителей генетической информации и ферментов как биохимических катализаторов не могло привести к возникновению жизни без системы, обеспечивающей передачу информации первых и постоянный синтез вторых. Именно поэтому невозможно представить себе, что “началом жизни” была единичная молекула нуклеиновой кислоты, или нуклеопротеида (вирус). Возникшая в дальнейшем на основе формирования генетического кода способность к передаче наследственной информации от предков к потомкам стала одним из основных свойств организмов.