Теории происхождения живого

 Гипотеза панспермии

Гипотеза о появлении жизни на Земле в результате переноса с других планет неких зародышей жизни получила название панспермии (от греч. «pan» — весь, всякий и «sperma» — семя). Эта гипотеза примыкает к гипотезе стационарного состояния. Её приверженцы поддерживают мысль о вечном существовании жизни и выдвигают идею о внеземном ее происхождении. Одним из первых идею о космическом (внеземном) происхождении жизни высказал немецкий ученый Г. Рихтер в 1865 г. Согласно Рихтеру жизнь на Земле не возникла из неорганических веществ, а была занесена с других планет. В связи с этим возникали вопросы, насколько возможно такое перенесение с одной планеты на другую и как это могло быть осуществлено. Ответы искали в первую очередь в физике, и неудивительно, что первыми защитниками этих взглядов выступили представители этой науки, выдающиеся ученые Г. Гельмгольц, С. Аррениус, Дж. Томсон, П.П. Лазарев и др.

 Согласно представлениям Томсона и Гельмгольца, споры бактерий и других организмов могли быть занесены на Землю с метеоритами. Лабораторные исследования подтверждают высокую устойчивость живых организмов к неблагоприятным воздействиям, в частности к низким температурам. Например, споры и семена растений не погибали даже при длительном выдерживании в жидком кислороде или азоте.

 Современные приверженцы концепции панспермии (в числе которых — лауреат Нобелевской премии английский биофизик Ф. Крик) считают, что жизнь на Землю занесена случайно или преднамеренно космическими пришельцами. К гипотезе панспермии примыкает точка зрения астрономов Ч. Викрамасингха (Шри-Ланка) и Ф. Хойла (Великобритания). Они считают, что в космическом пространстве, в основном в газовых и пылевых облаках, в большом количестве присутствуют микроорганизмы, где они, по мнению ученых, и образуются. Далее эти микроорганизмы захватываются кометами, которые затем, проходя вблизи планет, «сеют зародыши жизни».

На основе этой теории зародилось понятие техногенной панспермии. Учёные опасаются, что с космическими аппаратами, отправляемыми к другим космическим объектам, мы можем занести туда земные микроорганизмы, которые в результате мутации под действием космической радиации могут претерпеть непредвиденные изменения. Или наоборот, доставляя с других космических объектов на землю частицы грунта мы можем занести на землю опасные для земных существ микроорганизмы.

Полученные в 2006 году результаты миссии Deep Impact по исследованию кометного вещества неопровержимо доказывают наличие в кометном веществе воды и простейших органических соединений. Это указывает на кометы как на один из возможных переносчиков жизни во Вселенной.

Биохимическая теория

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

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

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

Первым научную теорию относительно происхождения живых организмов на Земле создал советский биохимик А.И. Опарин (1894–1980). В 1924 г. он опубликовал работы, в которых изложил представления о том, как могла возникнуть жизнь на Земле. Согласно этой теории, жизнь возникла в специфических условиях древней Земли и рассматривается Опариным как закономерный результат химической эволюции соединений углерода во Вселенной.

 По Опарину, процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделен на три этапа:

        Возникновение органических веществ

        Возникновение белков

        Возникновение белковых тел

Теория биохимической эволюции имеет наибольшее количество сторонников среди современных учёных. Земля возникла около пяти миллиардов лет назад; первоначально температура её поверхности была очень высокой (до нескольких тысяч градусов). По мере её остывания образовались твёрдая поверхность (земная кора — литосфера).

Атмосфера, первоначально состоявшая из лёгких газов (водород, гелий), не могла эффективно удерживаться недостаточно плотной Землёй, и эти газы заменялись более тяжёлыми: водяным паром, углекислым газом, аммиаком и метаном. Когда температура Земли опустилась ниже 100ºС, водяной пар начал конденсироваться, образуя мировой океан. В это время, в соответствии с представлениями А.И. Опарина, состоялся абиогенный синтез, то есть в первичных земных океанах, насыщенных разными простыми химическими соединениями, «в первичном бульоне» под влиянием вулканического тепла, разрядов молний, интенсивной ультрафиолетовой радиации и других факторов среды начался синтез более сложных органических соединений, а затем и биополимеров. Образованию органических веществ способствовало отсутствие живых организмов — потребителей органики — и главного окислителя — кислорода. Сложные молекулы аминокислот случайно объединялись в пептиды, которые, в свою очередь, создали первоначальные белки. Из этих белков синтезировались первичные живые существа микроскопических размеров.

Наиболее сложной проблемой в современной теории эволюции является превращение сложных органических веществ в простые живые организмы. Опарин полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам. По-видимому, белковые молекулы, притягивая молекулы воды, образовывали коллоидные гидрофильные комплексы. Дальнейшее слияние таких комплексов друг с другом приводило к отделению коллоидов от водной среды (коацервация). На границе между коацерватом (от лат. «сoacervus» — сгусток, куча) и средой выстраивались молекулы липидов — примитивная клеточная мембрана. Предполагается, что коллоиды могли обмениваться молекулами с окружающей средой (прообраз гетеротрофного питания) и накапливать определённые вещества. Ещё один тип молекул обеспечивал способность к самовоспроизведению. Система взглядов А.И. Опарина получила название «коацерватная гипотеза».

Гипотеза Опарина была лишь первым шагом в развитии биохимических представлений о возникновении жизни. Следующим шагом стали эксперименты Л.С. Миллера, который в 1953 году показал, как из неорганических составляющих первичной земной атмосферы под воздействием электрических разрядов и ультрафиолетового излучения могут образовываться аминокислоты и другие органические молекулы.

 Академик РАН В.Н. Пармон и ряд других ученых предлагают различные модели, позволяющие объяснить, как в среде насыщенной органическими молекулами могут протекать автокаталитические процессы, реплицирующие некоторые из этих молекул. Одни молекулы реплицируются успешнее, другие — хуже. Так запускается процесс химической эволюции, которая предшествует эволюции биологической.

 На сегодняшний день среди биологов преобладает гипотеза РНК-мира, утверждающей, что между химической эволюцией, в которой размножались и конкурировали отдельные молекулы и полноценной жизнью, основанной на модели ДНК—РНК—белок, был промежуточный этап, на котором размножались и конкурировали между собой отдельные молекулы РНК. Уже есть исследования, показывающие, что некоторые молекулы РНК обладают автокаталитическими свойствами и могут обеспечивать самовоспроизведение без участия сложных белковых молекул.

 Современная наука еще далека от исчерпывающего объяснения, как конкретно неорганическое вещество достигло высокого уровня организации, характерного для процессов жизнедеятельности. Тем не менее, ясно, что это был много ступенчатый процесс, в ходе которого уровень организации вещества шаг за шагом повышался. Восстановить конкретные механизмы этого ступенчатого усложнения — задачу будущих научных исследований.

Эти исследования идут по двум основным направлениям:

        сверху вниз: анализ биообъектов и изучение возможных механизмов образования их отдельных элементов,

        снизу вверх: усложнение «химии» — изучение всё более сложных химических соединений.

Пока добиться полноценного соединения этих двух подходов не удалось. Тем не менее, биоинженеры уже сумели «по чертежам», то есть, по известному генетическому коду и структуре белковой оболочки собрать из биологических молекул простейший живой организм — вирус. Тем самым доказано, что для создания живого организма из неживой материи не требуется сверхъестественного воздействия. Так что необходимо лишь ответить на вопрос, как этот процесс мог пройти без участия человека, в естественной среде.

 Широкого распространено «статистическое» возражение против абиогенного механизма возникновения жизни. Например, в 1966 г. немецкий биохимик Шрамм подсчитал, что вероятность случайного сочетания 6000 нуклеотидов в РНК-вирусе табачной мозаики: 1 шанс из 102000. Это чрезвычайно низкая вероятность, которая указывает на полную невозможность случайного образования подобной РНК. Однако в действительности это возражение построено некорректно. Оно исходит из предположения, что вирусная молекула РНК должна образоваться «с нуля» из разрозненных аминокислот. В случае ступенчатого усложнения химических и биохимических систем вероятность рассчитывается совершенно иначе. Кроме того, нет никакой необходимости получить именно такой вирус, а не какой-то другой. С учетом этих возражений получается, что оценки вероятность возникновения вирусной РНК занижены до полной неадекватности и не могут рассматриваться как убедительное возражение против абиогенной теории возникновения жизни.

Абиотическая концепция

Абиогенез - идея о происхождении живого из неживого - исходная гипотеза современной теории происхождения жизни.
В 1924 г. известный биохимик А. И. Опарин высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4 - 4,5 млрд. лет назад состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни.
Предсказания академика Опарина оправдались. В 1955 г. американский исследователь С. Миллер, пропуская электрические заряды через смесь газов и паров, получил простейшие жирные кислоты, мочевину, уксусную и муравьиную кислоты и несколько аминокислот.
Таким образом, в середине ХХ века был экспериментально осуществлен абиогенетический синтез белковоподобных и других органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли.
Гипотеза Опарина о возникновении жизни на Земле опирается на представление о постепенном усложнении химической структуры и морфологического облика предшественников жизни (пробионтов) на пути к живым организмам. На стыке моря, суши и воздуха создавались благоприятные условия для образования сложных органических соединений. В концентрированных растворах белков, нуклеиновых кислот могут образовываться сгустки подобно водным растворам желатина. А. И. Опарин назвал эти сгустки коацерватными каплями или коацерватами.
Коацерваты - это обособленные в растворе органические многомолекулярные структуры. Это еще не живые существа. Их возникновение рассматривают как стадию развития преджизни. 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.
Сильная сторона абиогенетической гипотезы - её эволюционный характер, жизнь - закономерный этап эволюции материи. Возможность экспериментальной проверки основных положений гипотезы.
На коацерватных каплях можно сыметировать доклеточные фазы зарождения жизни.
Слабая сторона гипотезы Опарина допускала воспроизводство протоживых структур в отсутствии молекулярных структур генетического кода. Гипотеза Опарина предъявляет особые требования к экспериментальному воспроизведению коацерватных структур: "первичный бульон" с химически сложной структурой, элементы биогенного происхождения (ферменты и коферменты).
Абиогенная гипотеза включает решительный отпор ученых - сторонников идеи вечности и безначальности биологической жизни.
Русский биохимик С. П. Костычев в своей брошюре "О появление жизни на Земле" замечает, что простейшие организмы посложнее всех фабрик и заводов, и случайное возникновение жизни маловероятно, жизнь никогда не создаётся на мёртвой материи".
В отношении самозарождения организмов необходимо отметить, что Французская Академия наук, ещё в 1859 году, назначила специальную премию за попытку осветить по - новому вопрос о самопроизвольном зарождении жизни. Эту премию в 1862 г. получил знаменитый французский ученый Луи Пастер, который своими опытами доказал невозможность самозарождения микроорганизмов.
В настоящее время жизнь на Земле не может возникнуть абиогенным путём. Ещё Дарвин в 1871 году писал: "Но если бы сейчас... в каком - либо тёплом водоёме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном воздействию света, тепла, электричества, химически образовался белок, способны к дальнейшим всё более сложным превращениям, то это вещество немедленно было бы разрушено и поглощено, что было невозможно в период возникновения живых существ". Жизнь возникла на Земле абиогенным путем. В настоящее время живое происходит только от живого (биогенное происхождение). Возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена.

Как появилась жизнь на Земле.

Современная концепция возникновения жизни на Земле является результатом широкого синтеза естественных наук, многих теорий и гипотез, выдвинутых исследователями разных специальностей. (имея огромное множество теории, науку получила одну теорию в данный момент оспариваемую только церковью. Эта теория включает в себя все научные гипотезы рассмотренные выше.
Для возникновения жизни на Земле важна первичная атмосфера (планеты).
Первичная атмосфера Земли содержала метан, аммиак, водяной пар и водород. Воздействую на смесь этих газов электрическими зарядами и ультрафиолетовым излучением, ученым удалось получить сложные органические вещества, входящие в состав живых белков. Элементарными "кирпичиками" живого являются такие химические элементы, как углерод, кислород, азот и водород.
В живой клетке, по весу содержится 70 % кислорода, 17 % углерода, 10% водорода, 3% азота, затем идут фосфор, калий, хлор, кальций, натрий, магний, железо.
Итак, первый шаг на пути возникновения жизни заключается в образовании органических веществ из неорганических. Он связан с наличием химического "сырья", синтез которого может произойти при определённом излучении, давлении, температуре и влажности.
Возникновению простейших живых организмов предшествовала длительная химическая эволюция. Из небольшого числа соединений (в результате естественного отбора) возникли вещества со свойствами, пригодными для жизни. Соединения, возникшие на основе углерода, образовали "первичный бульон" гидросферы. Содержащие азот и углерод вещества возникли в расплавленных глубинах Земли и выносились на поверхность при вулканической деятельности.
Второй шаг в возникновении соединений связан с возникновением в первичном океане Земли биополимеров: нуклеиновых кислот, белков. Если предположить, что в этот период все органические соединения находились в первичном океане Земли, то сложные органические соединения могли образоваться на поверхности океана в виде тонкой плёнки и на прогреваемом солнцем мелководье. Анаэробная среда облегчала синтез полимеров из неорганических соединений. Несложные органические соединения начали объединяться в крупные биологические молекулы.
Образовались ферменты - белковые вещества - катализаторы, которые способствуют возникновению или распаду молекул. В результате активности ферментов возникли "первоэлементы" жизни - нуклеиновые кислоты, сложные полимерные вещества, состоящие из мономеров.
Мономеры в нуклеиновых кислотах расположены таким образом, что несут определенную информацию, код, заключающийся в том, что каждой аминокислоте, входящей в белок, соответствует определённый белок из 3 нуклеотидов (триплет). На основе нуклеиновых кислот могут строиться белки и происходить обмен с внешней средой веществом и энергией.
Симбиоз нуклеиновых кислот образовал "молекулярно - генетические системы управления".
На этой стадии молекулы нуклеиновых кислот приобрели свойства самовоспроизведения себе подобных, стали управлять процессом образования белковых веществ.
У истоков всего живого стояли ревертаза и матричный синтез с ДНК на РНК, эволюция РНК - овой молекулярной системы в ДНК - овую. Так возник "геном биосферы".
Жара и холод, молний, ультрафиолетовая реакция, атмосферные электрические заряды, порывы ветра и водяные струи - всё это обеспечивало начало или затухание биохимических реакций, характер их протекания, генные "всплески".
К концу биохимической стадии появились такие структурные образования, как мембраны, ограничивающие смесь органических веществ от внешней среды.
Мембраны сыграли главную роль в построении всех живых клеток. Тела всех растений и животных состоят из клеток.
Живое содержание клетки - протоплазма.
Современные учёные пришли к выводу, что первые организмы на Земле были одноклеточными прокариотами. По своему строению они напоминали бактерии или сине - зелёные водоросли, существующие в настоящее время.
Для существования первых "живых молекул", прокариотов необходим как для всего живого, приток энергии извне. Каждая клетка - маленькая "энергетическая станция". Непосредственным источником энергии для клеток служит АТФ и другие соединения, содержащие фосфор. Энергию клетки получают с пищей, они способны не только тратить, но и запасать энергию.
Учёные предполагают, что на Земле возникло множество первых комочков живой протоплазмы. Около 2 млрд. лет тому назад в живых клетках появилось ядро. Из прокариотов возникли эукариоты. Их на Земле насчитывается 25 - 30 видов. Самые простые из них - амёбы. У эукариотов существует в клетке оформленное ядро с веществом, содержащим код синтеза белка.
К этому времени наметился "выбор" растительного или животного образа жизни. Различия этих образов жизни связано со способом питания и возникновением фотосинтеза, который заключается в создании органических веществ (например, сахаров из углекислоты и воды при использовании энергии света).
Благодаря фотосинтезу, растения вырабатывают органические вещества, за счет которого происходит наращивание массы растений, и вырабатывают большое количество органических веществ.
С возникновением фотосинтеза в атмосферу Земли стал поступать кислород, и образовалась вторичная атмосфера Земли с высоким содержанием кислорода.
Появление кислорода и интенсивное развитие наземных растений - величайший этап в развитии жизни на Земле. С этого момента началось постепенное видоизменение и развитие живых форм.
Жизнь со всеми её проявлениями произвела глубочайшие изменения в развитии нашей планеты. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы всё шире распространялись по планете, принимая большое участие в перераспределении энергии и веществ в земной коре, а также в воздушной и водной оболочках Земли.
Возникновение и распространение растительности привели к коренному изменению состава атмосферы, первоначально содержащей очень мало свободного кислорода, и состоящей главным образом из двуокиси углерода и, вероятно, метана и аммиака.
Растения, ассимилирующие углерод из двуокиси углерода, привели к созданию атмосферы, содержащей свободный кислород и лишь следы углекислого газа. Свободный кислород в составе атмосферы служил не только активным химическим агентом, но также источником озона, преградившего путь коротким ультрафиолетовым лучам к поверхности Земли (озоновый экран).
Одновременно углерод, веками скапливавшийся в остатках растений, образовал в земной коре энергетические запасы в виде залежи органических соединений (каменный уголь, торф).
Развитие жизни в Мировом океане привело к созданию осадочных пород, состоящих из скелетов и других остатков морских организмов.
Эти отложения, их механическое давление, химические и физические превращения изменили поверхность земной коры. Всё это свидетельствовало о наличии на Земле биосферы, в которой развертывались и продолжаются поныне жизненные явления.