Концепции возникновения жизни

Дискретность. Само слово дискретность произошло от латинского «discretus», что означат прерывистый, разделенный. Дискретность – всеобщее свойство материи. Так, из курса физики и общей химии известно, что каждый атом состоит из элементарных частиц, что атомы образуют молекулу. Жизнь на Земле также проявляется в виде дискретных форм. Это означает, что отдельный организм или иная биологическая система (вид, биоценоз и др.) состоит из отдельных изолированных, т.е. обособленных или отграниченных в пространстве, но, тем не менее, тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство.

Авторегуляция. Это способность живых организмов, обитающих в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов – гомеостаз.

Ритмичность. Периодические изменения в окружающей среде оказывают глубокое влияние на живую природу и на собственные ритмы живых организмов. Энергозависимость. Живые тела представляют собой «открытые» для поступления энергии системы. Это понятие заимствовано из физики. Под «открытыми» системами понимают динамические, т.е. не находящиеся в состоянии покоя системы, устойчивые лишь при условии непрерывного доступа к ним энергии и материи извне. Таким образом, живые организмы существуют до тех пор, пока в них поступают энергия и материя в виде пищи из окружающей среды.

Таким образом, живые организмы резко отличаются от объектов физики и химии –  неживых систем – своей исключительной сложностью и высокой структурной  функциональной упорядоченностью. Эти  отличия придают жизни качественно  новые свойства. Живое представляет собой особую ступень развития материи.

Многочисленные  определения сущности жизни можно  свести к двум основным. Согласно первому, жизнь определяется субстратом –  носителем ее свойств, например белком. Вторая группа определений оперирует  совокупностью специфических физико-химических процессов, характерных для живых  систем.

2. Концепция возникновения жизни

В настоящее  время существует несколько концепций  рассматривающих происхождение  жизни на земле. Остановимся лишь на некоторых главных теориях, помогающих составить довольно полную картину  этого сложного процесса: Креацинизм; Самопроизвольное (спонтанное) зарождение; Гипотеза панспермии; Гипотеза биохимической эволюции.

Креационизм (лат. сгеа — создание). Согласно этой концепции, жизнь и все населяющие Землю виды живых существ являются результатом творческого акта высшего существа в какое-то определенное время. Основные положения креационизма изложены в Библии, в Книге Бытия. Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения. Этого достаточно, чтобы вынести всю концепцию божественного сотворения за рамки научного исследования. Наука занимается только теми явлениями, которые поддаются наблюдению, а поэтому она никогда не будет в состоянии ни доказать, ни отвергнуть эту концепцию.

Самопроизвольное (спонтанное) зарождение. Идеи происхождения живых существ из неживой матёрии были распространены в Древнем Китае, Вавилоне, Египте. Крупнейший философ Древней Греции Аристотель высказал мысль о том, что определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Ван Гельмонт (1579—1644), голландский врач и натурфилософ, 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 ХVII—ХVIII веках благодаря успехам в  изучении низших организмов, оплодотворения и развития животных, а также наблюдениям  и экспериментам итальянского естествоиспытателя Ф. Реди (1626—1697), голландского микроскописта  А. Левенгука (1632—1723), итальянского ученого  Л. Спалланцани (1729—1799), русского микроскописта  М.М. Тереховского (1740—1796) и других вера в самопроизвольное зарождение была основательно подорвана. Однако вплоть до появления в середине Х века работ основоположника микробиологии Луи Пастера это учение продолжало находить приверженцев. ⁵

Развитие  идеи самозарождения относится, по существу, к той эпохе, когда в общественном сознании господствовали религиозные  представления. Те философы и натуралисты, которые не хотели принимать церковного учения о «сотворении жизни», при  тогдашнем уровне знаний легко приходили  к идее ее самозарождения. В той  мере, в какой, в противовес вере в сотворение, подчеркивалась мысль  о естественном возникновении организмов, идея самозарождения имела на определенном этапе прогрессивное значение. Поэтому  против этой идеи часто выступали  Церковь и теологи.

Гипотеза панспермии. Согласно этой гипотезе, предложенной в 1865г. немецким ученым Г. Рихтером и окончательно сформулированной шведским ученым Аррёниусом в 1895г., жизнь могла быть занесена на Землю из космоса. Наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения с мётеоритами 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.

Гипотеза биохимической эволюции. В 1924г. биохимиком А.И. Опариным, а позднее английским ученым Дж. Холдейном (1929) была сформулировала гипотеза, рассматривающая жизнь как результат длительной эволюции углеродных соединений.

Современная теория возникновения жизни на Земле, называемая теорией биопоэза, была сформулирована в 1947 г. английским ученым Дж. Берналом.

В настоящее  время в процессе становления  жизни условно выделяют четыре этапа:

1. Синтез  низкомолекулярных органических  соединении (биологических мономеров)  из газов первичной атмосферы. 

2. Образование  биологических полимеров. 

3. Формирование  фазообособленных систем органических  веществ, отделенных от внешней  среды мембранами (протобионтов).

4. Возникновение  простейших клеток, обладающих свойствами  живого, в том числе репродуктивным  аппаратом, обеспечивающим передачу  дочерним клеткам свойств клеток  родительских.

Первые  три этапа относят к периоду  химической эволюции, а с четвертого начинается эволюция биологическая.

Рассмотрим  более подробно процессы, в результате которых на Земле могла возникнуть жизнь. Согласно современным представлениям, Земля сформировалась около 4,6 млрд. лет назад. Температура ее поверхности  была очень высокой (4000—8000° С), и  по мере остывания планеты и действия гравитационных сил происходило  образование земной коры из соединений раз личных элементов.

Процессы  дегазации привели к созданию атмосферы, обогащенной, возможно, азотом аммиаком, парами воды, углекислым и  угарным газами. Такая атмосфера  была, по-видимому, восстановительной, о чем свидетельствует наличие  в самых древних горных породах  Земли металлов в восстановленной  форме, таких, как, например, двухвалентное  железо. Важно отметить при этом, что в атмосфере имелись атомы  водорода, углерода, кислорода и  азота, составляющие 99% атомов, входящих в мягкие ткани любого живого организма.

Однако, чтобы атомы превратились в сложные  молекулы, простых столкновений их было недостаточно. Нужна была дополнительная энергия, которая имелась на Земле  как результат вулканической  деятельности, электрических грозовых разрядов, радиоактивности, ультрафиолетового  излучения Солнца.

Отсутствие  свободного кислорода было, вероятно, недостаточным условием для возникновения  жизни. Если бы свободный кислород присутствовал  на Земле в добиотический период, то, с одной стороны, он окислял  бы синтезирующиеся органические вещества, а с другой - образуя озоновый слой в верхних горизонтах атмосферы, поглощал бы высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение Солнца. В рассматриваемый  период возникновения жизни, длившийся  примерно 1000 млн. лет, ультрафиолет был, вероятно, основным источником энергии  для синтеза органических веществ.

Из водорода, азота и соединений углерода при  наличии свободной энергии на Земле должны были возникать сначала  простые молекулы (аммиак, метан  и подобные простые соединения). В дальнейшем эти несложные молекулы в первичном океане могли вступать в реакции между собой и  с другими веществами, образуя  новые соединения.

В 1953 году американский исследователь Стенли Миллер в ряде экспериментов моделировал  условия, существовавшие на Земле приблизительно 4 млрд. лет назад.

Пропуская электрические разряды через  смесь аммиака, метана, водорода и  паров воды, он получил ряд аминокислот, альдегидов, молочную, уксусную и другие органические кислоты. Американский биохимик Сирил Поннаперума добился образования  нуклеотидов и АТФ. В ходе таких  и аналогичных им реакций воды первичного океана могли насыщаться различными веществами, образуя так  называемый «первичный бульон».

Второй  этап состоял в дальнейших превращениях органических веществ и образовании  абиогенным путем более сложных  органических соединений, в том числе  и биологических полимеров.

Американский  химик С. Фокс составлял смеси  аминокислот, подвергал их нагреванию и получал протеиподобные вещества. На первобытной земле синтез белка  мог проходить на поверхности  земной коры. В небольших углублениях  в застывающей лаве возникали  водоемы, содержащие растворенные в  воде малые молекулы, в том числе  и аминокислоты. Когда вода испарялась или выплескивалась на горячие камни, аминокислоты вступали в реакцию, образуя  протеноиды. Затем дожди смывали  протеноиды в воду. Если некоторые  из этих протеноидов обладали каталитической активностью, то мог начаться синтез полимеров, т. е. белковоподобных молекул.

Третий  этап характеризовался выделением в  первичном «питательном бульоне» особых коацерватных капель, представляющих собой группы полимерных соединений. Было показано в ряде опытов, что  образование коацерватных суспензий, или микросфер, типично для многих биологических полимеров в растворе. Коацерватные капли обладают некоторыми свойствами, характерными и для живой  протоплазмы, как, например, избирательно адсорбировать вещества из окружающего  раствора и за счет этого «расти», увеличивать свои размеры.

Благодаря тому, что концентрация веществ в  коацерватных каплях была в десятки  раз больше, чем в окружающем растворе, возможность взаимодействия между  отдельными молекулами значительно  возрастала.

Известно, что молекулы многих веществ, в частности  полипептидов и жиров, состоят из частей, обладающих разным отношением к воде. Гидрофильные части молекул, расположенные на границе между  коацерватами и раствором, поворачиваются в сторону раствора, где содержание воды больше. Гидрофобные части ориентируются  внутрь коацерватов, где концентрация воды меньше. В результате поверхность  коацерватов приобретает определенную структуру и в связи с этим свойство пропускать в определенном направлении одни вещества и не пропускать другие. Благодаря этому свойству концентрация некоторых веществ внутри коацерватов еще больше возрастает, концентрация других уменьшается, и реакции между компонентами коацерватов приобретают определенную направленность. Коацерватные капли становятся системами, обособленными от среды. Возникают протоклетки, или протобионты.

Важным  этапом химической эволюции явилось  образование мембранной структуры. Параллельно с появлением мембраны шло упорядочение и усовершенствование метаболизма. В дальнейшем усложнении обмена веществ в таких системах существенную роль должны были играть катализаторы.

Одним из основных признаков живого является способность к репликации, т. е. созданию копий, не отличаемых от материнских  молекул. Таким свойством обладают нуклеиновые кислоты, которые в  отличие от белков способны к репликации. В коацерватах мог образовываться протеноид, способный катализировать полимеризацию нуклеотидов с  образованием коротких цепочек РНК. Эти цепочки могли выполнять  роль как примитивного гена, так  и информационной РНК. В этом процессе не участвовали еще ни ДНК, ни рибосомы, ни транспортные РНК, ни ферменты белкового  синтеза. Все они появились позже.

Уже на стадии формирования протобионтов имел место, вероятно, естественный отбор, т. е. сохранение одних форм и элиминация (гибель) других. Так прогрессивные изменения  в структуре протобионтов закреплялись благодаря отбору.

Появление структур, способных к самовоспроизведению, репликации, изменчивости определяет, по-видимому, четвертый этап становления  жизни.

Итак, в  позднем архее (приблизительно 3,5 млрд. лет назад) на дне небольших водоемов или мелководных, теплых и богатых  питательными веществами морей возникли первые примитивные живые организмы, которые по типу питания были гетеротрофами, т. е. питались готовыми органическими веществами, синтезированными в ходе химической эволюции. Способом обмена веществ им служило, вероятно, брожение — процесс ферментативного превращения органических веществ, в котором акцепторами электронов служат другие органические вещества.

Часть энергии, выделяемой в этих процессах, запасается в виде АТФ. Возможно, некоторые организмы  для жизненных процессов использовали и энергию окислительно-восстановительных  реакций, т. е. были хемосинтетиками.

Со временем происходило уменьшение запасов  свободной органики в окружающей среде и преимущество получили организмы, способные синтезировать органические соединения из неорганических. Таким  путем, вероятно, около 2 млрд. лет назад  возникли первые фототрофные организмы  типа цианобактерий, способные использовать световую энергию для синтеза  органических соединений из СО2 и Н2О  выделяя при этом свободный кислород.

Переход к автотрофному питанию имел большое  значениё для эволюции жизни на Земле  не только с точки зрения создания запасов органического вещества, но и для насыщения атмосферы  кислородом. При этом атмосфера стала  приобретать окислительный характер.