Концепции возникновения живой материи и эволюция живых систем

Наследственность всегда реализуется во взаимодействии генетических факторов и условий существования. При индивидуальном развитии организмов (их онтогенезе) наследственность определяет границы (норму реакции) изменчивости организма, т. е. набор тех возможных вариантов (фенотипов), которые допускает данный генотип при изменениях среды (модификационная, онтогенетическая изменчивость). При историческом развитии организмов (их филогенезе) наследственность, закрепляя изменения генетического материала (генотипическая изменчивость), создаёт предпосылки для эволюции организмов. Наряду с ядерной (хромосомной) наследственностью существует т. н. цитоплазматическая (нехромосомная) наследственность, обусловленная наличием генов у органоидов (митохондрий, хлоропластов и некоторых других), находящихся в цитоплазме клетки и способных независимо от клеточного ядра синтезировать необходимые им белки.

         Механизм наследственности заключается в том, что вся информация о «плане организма» содержится всего лишь в одной клетке, а точнее – в части клетки, которая именуется ядром клетки. Данное ядро состоит из набора частиц. Эти частицы по своей форме напоминают палочку или нить, а называются они хромосомы. Количество хромосом различно: 8, 12, а у человека их 48. Правильнее будет говорить о том, что в клетке содержится 24 пары хромосом. И именно они несут в себе весь шифровальный код организма. Если присмотреться, то мы увидим схожесть хромосом. Это объясняется тем, что часть хромосом приходит от матери, т. е. от яйцеклетки, а вторая часть – от отца, т. е. от оплодотворяющего сперматозоида.

         Ученые провели исследование, в ходе которого было достоверно установлено, что основной «код наследственности» содержится в нити ДНК. Нить ДНК и составляют хромосомы, по виду она напоминает сетку. В этом «коде наследственности» есть и свои единицы. Такой единицей для микроорганизма являются три нуклеотида. Они построены довольно просто – по длине молекулы ДНК. Хромосомы высших организмов построены гораздо сложнее, но существует предположение, что процесс считывания информации (хотя это достоверно не было установлено) в общих чертах похож на тот, который наблюдается у микроорганизмов. Рост организма происходит путем митоза. Митоз – это последовательное клеточное деление. Яйцеклетка делится на две «дочерние» клетки, которые затем делятся на 4, 8, 16, 32, 64 и т. д. При этом следует отметить, что частота деления клеток во всем организме не одинакова, вследствие чего нарушается число делений клеток. При митозе хромосомы удваиваются. Смысл митоза заключается в том, что дочерние клетки получают точные копии набора хромосом яйцеклетки. Отсюда следует вывод, что все клетки тела подобны друг другу.

          Мейоз. После того как особь начала развиваться, часть клеток резервируется. Зарезервированная часть клеток не участвует больше ни в каких процессах. Она активируется только лишь тогда, когда особь достигает зрелости, и участвует в размножении особи. Из этой зарезервированной части клеток очень скоро, но до того, как особь начнет размножаться, начинают формироваться клетки – гаметы. Мужские гаметы называются спермин, а женские – яйцеклетки.

3.Образование органических веществ и зарождение клетки

         О фактах широкого распространения во Вселенной процессов образования органических веществ из неорганических уже говорилось выше. На Земле наших дней такие процессы наблюдаются очень редко. Но это не означает, что в совсем иных условиях ранней Земли все обстояло так же. Эксперименты показывают, что в насыщенной водородом и аммиаком первичной атмосфере электрические разряды, мощное ультрафиолетовое излучение Солнца создавали все необходимое для эффективного протекания процессов, характерных для первого из перечисленных выше этапов. Но для детальной разработки механизмов, действовавших на втором и, особенно на третьем этапах, имеющихся исходных данных мало.

          Проникновение в суть явления, называемого происхождением жизни на Земле, перестало выглядеть безнадежным занятием после того, как усилиями ряда ученых сформировался системный подход к этому феномену, рожденный новым научным мышлением. Начало подхода заложил русский биохимик А.И. Опарин (1894-1980) в 1924 г. В появлении жизни он увидел единый естественный процесс, слагавшийся из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей затем на качественно новый уровень - биохимической эволюции. С самого начала процесс был неразрывно связан с геологической эволюцией внешних оболочек Земли. Видимо, новое понимание проблемы назрело в науке, потому что независимо от А.И. Опарина подобный подход (несколько позже, в 1929 г.) высказал английский физиолог Дж. Холдейн (1860- 1936). Затем эстафету подхватил английский физик Дж. Бернал.

           Возникновение и развитие химической эволюции особого типа произошли на втором этапе, в ходе образования и накопления в первичных водоемах исходных органических молекул. В самом общем виде химическую эволюцию можно представить так. Органические вещества, образовавшиеся на первом этапе процесса, скапливались в сравнительно неглубоких местах первичных водоемов, прогреваемых Солнцем. Солнечное излучение в то время доносило до поверхности Земли мощную коротковолновую (ультрафиолетовую) составляющую, которая в наши дни не пропускается к поверхности озоновым слоем, образовавшимся вместе с кислородной атмосферой. Коротковолновое же излучение обеспечивает энергией протекание химических реакций между органическими соединениями, но одновременно разрушает возникающие сложные органические соединения, в частности, биополимеры, липиды, углеводороды - основу будущей жизни. Поэтому их накопление возможно только в динамике и при наличии таких условий в окружающей среде, которые способствовали бы укрытию новых образований от разрушения мощным солнечным ультрафиолетом.

           Таким образом, предполагается, что в некоторых зонах первичных водоемов Земли протекали разнообразные случайные реакции. Большая их часть быстро завершалась из-за исчерпания исходного сырья. Но в хаосе химических реакций произвольно возникали и закреплялись реакции циклических типов, обладавшие способностью к самоподдержанию в неких замкнутых циклах при поступлении энергии извне и эффективном обмене веществом с окружающей средой. Органическая химия знает примеры реакций такого типа. Их отбор и выживание следует рассматривать как возможный качественный скачок, создавший предпосылки для перехода от химической к биохимической эволюции. Вместе с отбором и совершенствованием комплексов циклических реакций происходили отбор и совершенствование участвующих в этих реакциях органических молекул. Непременным условием успешного протекания химической эволюции служит допущение, что одновременно с отбором циклических реакций происходила самосборка из липидов оболочек и перегородок мембранного типа, способных отделить объемы с упорядоченными реакциями от неорганизованной окружающей среды, не лишая их возможности обмена реагентами. В лабораторных экспериментах, имитирующих состояние гидросферы и атмосферы молодой Земли, получено подтверждение того, что скопление липидов в водоеме при определенной ихконцентрации и соответствующих внешних условиях демонстрирует типичный процесс самоорганизации, осуществляя самосборку микрооболочек. Напрашивается еще одно смелое допущение, что каким-то образом процесс самосборки оболочек и процесс отбора циклических реакций определенного типа объединились и привели к появлению неравновесных, отделенных от окружающей среды самоподдерживающихся образований, которые стали предшественниками простейшей клетки.

           В последние годы предпринимаются попытки на основе теоретического анализа и лабораторных экспериментов воспроизвести модель протекания химической эволюции на поверхности только что сформировавшейся молодой планеты. В одной из таких моделей предполагается, что ранняя Земля первоначально была холодным телом, окруженным разреженной восстановительной атмосферой- смесью мётана, аммиака и паров воды при общем давлении не более 1-10 мм рт. ст. Температура поверхности достигала примерно - 50°С, так что вода ледяным покровом окружала литосферу. Под действием солнечных и космических частиц, проникавших сквозь разреженную атмосферу, происходила ее ионизация: атмосфера находилась в состоянии холодной плазмы. Это предположение является ключевым для данной модели, так как плазма в ней рассматривается в качестве основного поставщика энергии для зарождения и поддержания химической эволюции.

         Атмосфера ранней Земли была насыщена электричеством, в ней вспыхивали частые разряды. Серией лабораторных экспериментов, в которых имитировались первичная атмосфера и электрические разряды, установлено, что в таких условиях шло быстрое одновременное синтезирование разнообразных органических соединений, в том числе и весьма сложного состава. Эти соединения представляли собой подходящее сырье, из которого на следующей стадии эволюции могли образовываться пептиды, липиды и углеводы. Низкая температура, поверхности и холодная атмосферная плазма создавали условия для успешного протекания процессов полимеризации. Возникшие биополимеры стали предшественниками тех, из которых затем строилась жизнь. Их образование протекало в атмосфере, откуда они выпадали на ледяной покров Земли, накапливаясь в нем. В условиях гигантского естественного холодильника они 'хорошо сохранялись до лучших времен. Это также подтверждено лабораторными экспериментами. Радиоактивный разогрев недр Земли пробудил тектоническую деятельность, заработали вулканы. Выделение газов уплотнило атмосферу, отодвинув границу ионизации в ее верхние слои. Растаял ледяной покров, образовав первичные водоемы. Размораживание активизировало химическую деятельность накопленных биополимеров, липидов, углеводов. Как показали эксперименты, в процессе размораживания липиды претерпевали самосборку, образуя в водоеме стабильные “калиброванные” микросферы диаметром от 10 до 50 мкм. Ранее такие сферы наблюдал А.И. Опарин, он их назвал коацерватными каплями и придавал им важнейшее значение в переходе от неживой природы к предшественнице живой клетки.

          Предполагается, что самосборка мембранных липидных оболочек с заключенными в них биополимерами - важный шаг в переходе от химических смесей к организованным системам. Именно во внутренних полостях капель, куда извне могли выборочно проникать молекулы, началась эволюция от химических реакций к биохимическим, а переход к простейшей клетке произошел в форме скачка, характерного для самоорганизации вещества.

4. Альтернативные гипотезы возникновения жизни

         Согласно теории Панспермии, предложенной в 1865 году немецким ученым Г. Рихтером и окончательно сформулированной шведским ученым Аррениусом в 1895 году, жизнь могла быть занесена на Землю из космоса. Наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения с метеоритами и космической пылью. Это предположение основывается на данных о высокой устойчивости некоторых организмов и их спор к радиации, глубокому вакууму, низким температурам и другим воздействиям. Однако до сих пор нет достоверных фактов, подтверждающих внеземное происхождение микроорганизмов, найденных в метеоритах. Но если бы даже они попали на Землю и дали начало жизни на нашей планете, вопрос об изначальном возникновении жизни оставался бы без ответа.

           Фрэнсис Крик и Лесли Оргел предложили в 1973 году другой вариант — управляемую панспермию, то есть намеренное «заражение» Земли (наряду с другими планетными системами) микроорганизмами, доставленными на непилотируемых космических аппаратах развитой инопланетной цивилизацией, которая, возможно, находилась перед глобальной катастрофой или же просто надеялась произвести терраформирование других планет для будущей колонизации. В пользу своей теории они привели два основных довода — универсальность генетического кода (известные другие вариации кода используются в биосфере гораздо реже и мало отличаются от универсального) и значительную роль молибдена в некоторых ферментах. Молибден — очень редкий элемент для всей Солнечной системы. По словам авторов, первоначальная цивилизация, возможно, обитала возле звезды, обогащённой молибденом.

          Против возражения о том, что теория панспермии (в том числе управляемой) не решает вопрос о зарождении жизни, они выдвинули следующий аргумент: на планетах другого неизвестного нам типа вероятность зарождения жизни изначально может быть намного выше, чем на Земле, например, из-за наличия особенных минералов с высокой каталитической активностью.

          В 1981 году Ф. Крик написал книгу «Life itself: its origin and nature», в которой он более подробно, чем в статье, и в популярной форме излагает гипотезу управляемой панспермии. Академик РАН А. Ю. Розанов, глава комиссии по астробиологии в Российской академии наук, считает, что жизнь на Землю была занесена из космоса.

         Панспермия: концепция происхождения жизни.

         Опровержение Л. Пастером теории самопроизвольного зарождения жизни сыграло двоякую роль. С одной стороны, представители идеалистической философии увидели в его опытах лишь непосредственное свидетельство принципиальной невозможности перехода от неорганической материи к живым существам в результате действия только естественных сил природы. Это вполне согласовывалось с их мнением о том, что для возникновения жизни необходимо вмешательство нематериального начала - творца. С другой стороны, некоторые естествоиспытатели - материалисты лишились теперь возможности использовать явление самозарождения жизни в качестве главного доказательства своих взглядов. Возникло представление о вечности жизни во Вселенной. Так появилась гипотеза панспермии, которую выдвинул немецкий химик Ю. Либих (1803-1873). Согласно гипотезе панспермии, жизнь существует вечно и переносится с планеты на планету метеоритами. Простейшие организмы или их споры ("семена жизни"), попадая на новую планету и найдя здесь благоприятные условия, размножаются, давая начало эволюции от простейших форм к сложным. Сторонником гипотезы панспермии был выдающийся отечественный естествоиспытатель В.И. Вернадский (1863-1945).Особенно активно развивал теорию панспермии шведской физико-химик С. Аррениус (1859-1927). В опытах русского физика П.Н. Лебедева (1866- 1912), открывшего давление светового потока, С. Аррениус увидел доказательство возможности переноса спор микроорганизмов с планеты на планету. Жизнь переносится, предполагал он, не в виде микроорганизмов на метеоритах, раскаляющихся при вхождении в плотные слои атмосферы, - сами споры могут перемещаться в мировом пространстве, движимые давлением солнечного света. В качестве альтернативы абиогенезу выступала концепция панспермии, 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, 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 газо-пылевого 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 молчаливо 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.