Возникновение жизни на Земле

Введение

Человека всегда поражало многообразие, сложность, беспрерывное и быстрое измене­ние живой природы. От невидимого мира и микроорганиз­мов, бесчисленных простейших, лишайников, мхов, трав, кустарников и деревьев до мира животных — насекомых, рыб, земноводных, птиц, млекопитающих — такова цепь жизни, которая тянется к венцу природы — человеку, единственному из биологических существ, спо­собному изучать и осмысливать закономерно­сти природы.

Немало столетий прошло, пока человек на­копил достаточно знаний для научного пони­мания мира живой природы. Для этого пона­добилось развитие физики и химии, познание законов строения живых организмов, деятель­ности их органов и тканей, умение заглянуть внутрь организмов, проникнуть в мельчайшую их структуру. Пытливая мысль и эксперимен­ты многих и многих поколений естествоиспы­тателей привели к заключению о постоянном развитии всего многообразия растительных и животных видов в процессе смены бесчислен­ных поколений белковых тел.

Химические соединения на Земле прошли четыре стадии своего эволюционного развития: 1) неорганическую; 2) органическую; 3) биохимическую; 4) антропогенную.

Первая стадия связана с химическими превращениями без образования цепей из атомов углерода, который, как известно, обладает наибольшим эволюционным потенциалом. На этой стадии образовывались наиболее простые вещества и происходили относительно несложные процессы.

Органическая стадия — по сути есть химия соединений углерода. Здесь происходит резкое усложнение химизма и формируются все необходимые предпосылки для возникновения жизни.

Третья стадия — биохимия, иди химия живого. С возникновением жизни высшей и наиболее сложной формой материи становится биологическая. К специфике соотношения химического и биологического можно отнести следующие закономерности:

жизнь возникает в ходе протекания химических процессов, хотя переход от неживого к живому пока воспроизвести не удается;

биохимические процессы развиваются под контролем биологических процессов и закономерностей, например естественного отбора. В живом организме химический синтез направлен на поддержание его жизнеспособности.

с возникновением жизни большая часть химических веществ продолжает существовать по своим собственным законам вне живых организмов. При этом неживое вещество служит внешней средой, с которой живое находится в постоянной динамичной связи (обмен веществ между организмом и средой);

некоторая часть химических веществ после возникновения живого включается в состав живых организмов. Биохимия, или химия живого, намного сложнее химических процессов, идущих вне живого организма. Одновременно биохимия — часть химической науки и в ней действуют в особых формах все химические законы. Биохимические процессы являются основой жизни, они воздействуют на биологические явления, накладывая на них определенные ограничения.

в живой природе возникает новое качество — биологическое, которое имеет в своей основе сложные химические механизмы и в то же время не может быть сведено даже к самому сложному набору химических процессов.

При попытке определить сущность жизни на научном уровне возникают значительные трудности. Большинство ученых убеждены, что жизнь представляет собой особую форму существования материального мира. До конца 50-х годов классическим считалось определение Ф. Энгельса, которое гласило, что жизнь есть способ существования белковых тел, состоящий в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел. Однако уже к началу 60-х годов стало очевидным, что вещественная основа жизни сводится не только к белкам, а функциональная — не только к присущему живым организмам обмену веществ. Например, Э. Шредингер определял жизнь как апериодический кристалл, Г. Югай -как космическую организованность материи. Некоторые определения подчеркивают энергетический аспект жизни — противостояние энтропийным процессам, другие возникновение точной пространственной редубликации, или матричного копирования, осуществляемого посредством нуклеиновых кислот.

Современная биология в вопросе о сущности живого все чаще идет по пути перечисления основных свойств живых организмов или критериев жизни. При этом подчеркивается то, что только совокупность таких свойств может дать представление о специфике жизни. К числу критериев жизни обычно относят следующие:

живые организмы характеризуются упорядоченной сложной структурой, уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах;

живые организмы получают энергию из окружающей среды, причем большинство из них прямо или косвенно используют солнечную энергию;

все живые организмы, как растения, так и животные, реагируют на изменения в окружающей среде (раздражимость);

живые организмы не только изменяются, но и усложняются;

все живое размножается. Способность к самовоспроизведению — основополагающий признак жизни, поскольку при этом проявляется действие механизма наследственности и изменчивости, которые определяют эволюцию всех видов живой природы;

живые организмы передают по наследству заложенную в них информацию, необходимую для развития и размножения потомства. Эта информация заложена в генах — единицах наследственности, мельчайших внутриклеточных структурах. Генетический материал определяет направление развития организма. Информация в процессе передачи несколько изменяется, поэтому потомство не только похоже на родителей, но и отличается от них;

живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания и соответствующему образу жизни.

В упрощенном виде можно считать, что все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе, а неживые тела не питаются, не дышат, не растут и не размножаются.

Живое вещество разделено на дискретные образования — организмы, более простыми прообразами которых являются элементарные каталитические системы А. П. Руденко. Теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем (ЭОКС) в общем виде была выдвинута профессором Московского университета А. П. Руденко в 1964 году и в развернутой форме появилась в 1969 году. Она является наиболее подробно разработанным вариантом общей теории химической эволюции и биогенеза, решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизме эволюционного процесса, то есть о законах химической эволюции, об отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, об уровне химической организации и иерархии химических систем в процессе эволюции.

Ряд химических процессов вообще невозможно провести без участия катализаторов. Наиболее сложным случаем катализа является автокатализ, возникающий при каталитическом воздействии продукта реакции на вступающие в нее исходные вещества. Таким образом, на химическом уровне организации материи возникает способность многократного самоускорения, изменения и развития.

Каталитические реакции исключительно разнообразны, многочисленны и являются главным предметом исследований современной химии.

Свою теорию А. П. Руденко основывал на мультиплетной теории катализа академика А. А. Баландина.

Основные положения теории А. А. Баландина сводятся к трем выводам:

Катализатор увеличивает скорость реакции, то есть катализ может быть только положительным.

Катализаторы способны ориентировать реакции в одном из возможных направлений.

Катализаторы химически взаимодействуют с реагентами и образуют промежуточный (мультиплетный) комплекс, обладающий свойствами переходного состояния (по иной терминологии — активированный комплекс).

А. П. Руденко называет такой промежуточный комплекс элементарной каталитической системой. Если каталитическая реакция сопровождается постоянным притоком извне новых реактивов, отводом готовых продуктов и выполнением еще некоторых условий, реакция может протекать неограниченно долго, находясь на одном и том же стационарном уровне. Такие многократно возобновляемые комплексы приобретают статус элементарных открытых каталитических систем.

В работах А. П. Руденко изложена детально разработанная им теория открытых каталитических систем. Выделив четыре принципа описания процесса развития (вероятностный, кинетический, термодинамический и информационный), он сформулировал с их помощью основной закон саморазвития ЭОКС:

В процессе развития каталитических систем складываются механизмы конкуренции и естественного отбора по параметру абсолютной каталитической активности.

Благодаря автокатализу реакции становятся самоускоряющимися, причем на некоторой ступени развития ЭОКС достигается первый кинетический (температурный) предел саморазвития, когда рост абсолютной скорости базисной реакции начинает лимитироваться постоянным уровнем температуры в системе. Отдельные элементарные каталитические центры приобретают способность осуществлять одновременно не один, как ранее, а несколько полных циклов базисной реакции,

При дальнейшем развитии скорость реакции начинает лимитироваться концентрацией реагирующих веществ, и ЭОКС достигает второго кинетического предела саморазвития.

Второй кинетический предел преодолевается с помощью пространственного структурного разобщения полифункционирующих центров катализа.

Многовековые исследования и попытки решения вопросов о происхождении природы и сущности жизни породили разные концепции возникновения жизни на Земле:

жизнь возникала неоднократно и самопроизвольно из неживого вещества;

жизнь существовала всегда (теория стационарного состояния);

жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия);

жизнь возникла в результате биохимической эволюции.

По существу, это главный способ роста всех живых тканей, в соответствии с которым с матричных Молекул ДНК или РНК считывается наследственная информация и на ее основе строится новая молекула. Можно считать, что второй кинетический предел является пределом добиологической химической эволюции, то есть с достижением способности к самовоспроизведению завершается наивысший этап химической эволюции сложных каталитических систем.

Аристотель, позже поддерживали Галилей, Декарт, Ламарк, Гегель. Однако еще в 1688 году итальянский биолог Франческо Реди, живший во Флоренции, серией опытов с открытыми и закрытыми сосудами доказал, что появляющиеся в гниющем мясе маленькие черви — это личинки мух, и сформулировал свой принцип: все живое из живого (концепций биогенеза). В 1860 году Луи Пастер доказал, что бактерии вездесущи и могут заражать неживые вещества, для избавления от них необходима стерилизация. Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения.

Практически одновременно с работами Пастера (в 1865 году) на стыке космогонии и физики ученым Г. Рихтером разрабатывается гипотеза занесения живых существ на Землю из космоса — концепция панспермии. Согласно этой идее зародыши простых организмов могли попасть в земные условия вместе с метеоритами и космической пылью и дать начало эволюции живого, то есть жизнь могла возникнуть в разное время в разных частях Галактики и была перенесена на Землю тем или иным способом. Подобные мысли разделяли крупнейшие ученые конца XIX — начала XX века: Либих, Кельвин, Гельмгольц и др. В 1908 году шведский химик Сванте Аррениус поддержал гипотезу происхождения жизни из космоса. Он описывал, как с населенных другими существами планет уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Частицы жизни, носящиеся в бескрайних просторах космоса, переносились давлением света от звезд, оседали на планеты с подходящими условиями для жизни и начинали новую жизнь на таких планетах. Эти идеи поддерживали выдающиеся русские ученые академики С. П. Костычев, Л. С. Берг, П. П. Лазарев.

Несколько иную позицию занимал крупнейший русский ученый академик В. И. Вернадский. Он разделял идею вечности жизни, но не в плане ее космического перераспределения между планетами, а в смысле неразрывности материи и жизни. Жизнь и материя, по Вернадскому, взаимосвязаны, между ними нет временной разделенности.

Для обоснования панспермии обычно используют наскальные рисунки с изображением предметов, похожих на ракеты или космонавтов, а также появление НЛО. При изучении вещества метеоритов и комет были обнаружены многие «предшественники живого» — органические соединения, синильная кислота, вода, формальдегид, цианогены. В 1975 году предшественники аминокислот найдены в лунном грунте и метеори­тах. Сторонники гипотезы занесения жизни из космоса считают их «семенами», посеянными на Земле.

Тем не менее пока эта гипотеза полного научного обоснования не получила. При всей широте спектра возможных условий существования живых организмов считается, что они должны погибнуть в космосе под действием излучения. Космические исследования до настоящего времени позволяют считать, что вероятность обнаружить жизнь в пределах Солнечной системы очень мала. Доводы в пользу нахождения в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни, пока выглядят малоубедительными. К тому же теория панспермии не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а переносит проблему возникновения жизни в какое-то другое место Вселенной.

Сторонники теории вечного существования жизни считают, что Земля никогда не возникала, а существовала вечно. При этом она всегда была способна поддерживать жизнь, причем некоторые виды при изменениях условий на планете резко меняли численность или вымирали. Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, со все более высокими оценками возраста Земли, с обнаружением некоторых видов животных, которые считались ранее вымершими.

Современные представления о происхождении жизни восходят к гипотезам советского академика А. И. Опарина (1923 год) и английского естествоиспытателя Джона Скотта Холдейна (1929 год).

Пик исследований А. И. Опарина и его соавторов приходился на 50-60-е годы, хотя его книга «Происхождение жизни» была опубликована еще в 1924 году.

С самого начала этот процесс был связан с геологической эволюцией. В настоящее время принято считать, что возраст нашей планеты составляет примерно 4,3 млрд лет. В далеком прошлом Земля была очень горячей (4000-8000 °С). По мере остывания образовывалась земная кора, а из воды, аммиака, двуокиси углерода и метана — атмосфера. Такая атмосфера называется «восстановительной», поскольку не содержит свободного кислорода. При падении температуры на поверхности Земли ниже 100 °С образовались первичные водоемы. Под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси происходил синтез органических веществ-мономеров, которые локально накапливались и соединялись друг с другом, образуя полимеры. Можно допустить, что тогда же одновременно с полимеризацией шло образование надмолекулярных комплексов-мембран.

По однотипным правилам синтезировались в «первичном бульоне» гидросферы Земли полимеры всех типов: аминокислоты, полисахариды, жирные кислоты, нуклеиновые кислоты, смолы, эфирные масла и др. Это предположение было проверено экспериментально в 1953 году на установке Стэнли Миллера, которому удалось получить многие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряд аминокислот, аденин и простые сахара. Позднее в сходном эксперименте были синтезированы нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты).

Органические вещества скапливались в сравнительно неглубоких водоемах, прогреваемых Солнцем. Солнечное излучение доносило до поверхности Земли ультрафиолетовые лучи, которые в наше время сдерживаются озоновым слоем атмосферы. Так энергией обеспечивалось протекание химических реакций между органическими соединениями и синтез поли­меров.

Молекулы воды, смачивая только гидрофильные концы молекул жиров, ставили их как бы «на голову», гидрофобными концами вверх. Таким способом создавался комплекс упорядоченных молекул жиров, которые за счет прибавления к ним новых молекул постепенно отграничивали от всей окружающей среды некоторое пространство, которое и стало первичной клеткой, или коацерватом — пространственно обособившейся целостной системой. Коацерваты оказались способными поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечивало возможность первичного обмена веществ со средой.

Таким образом, первичная клеточная структура, по Опарину, представляла собой открытую химическую микроструктуру которая была наделена способностью к первичному обмену веществ, но еще не имела системы для передачи генетической информации на основе нуклеиновых кислот. Такие системы, черпающие из окружающей среды вещества и энергию, могут противостоять нарастанию энтропии и способствовать ее уменьшению в процессе своего роста и развития, что является характерным признаком всех живых систем.

Концепция А. И. Опарина в научном мире весьма популярна. Сильной ее стороной является точное соответствие теории химической эволюции, согласно которой зарождение жизни — закономерный результат. Аргументом в пользу этой концепции служит возможность экспериментальной проверки ее основных положений в лабораторных условиях.

Слабой стороной концепции А. И. Опарина является допущение возможности самовоспроизведения коацерватных структур в отсутствие систем, обеспечивающих генетическое кодирование. В рамках концепции Опарина не решена главная проблема — о движущих силах саморазвития химических систем и перехода от химической эволюции к биологической, о причине таинственного скачка от неживой материи к живой.

что было первичным — белки или нуклеиновые кислоты?

если предположить, что эти классы полимеров возникли не одновременно, то как и когда произошло их объединение в единую систему передачи генетической информации?

Белки в организме служат катализаторами протекающих биохимических реакций и являются клеточными структурными элементами. Они представляют собой цепочки аминокислот, удерживающихся пептидными связями. Из огромного арсенала аминокислот для образования животных и растительных белков природа использовала 20 типов. Разнообразие белков определяется различными аминокислотами и последовательностью их расположения в белковых цепях. Даже при полной

Одним из наиболее сложных вопросов, связанных с происхождением жизни, является характеристика особенностей доклеточного предка.

идентичности состава и последовательности расположения аминокислот различия в пространственной структуре белков приводят к разнице в их физико-химических свойствах. Белки живого происхождения имеют одинаковую изомерию, тогда как абиогенно полученные белки содержат равное количество возможных пространственных структур.

Нужный в данный момент белок синтезируется клеткой из запасенного материала с помощью системы воспроизведения, которая содержит в закодированном виде необходимую информацию. Свои функции система воспроизведения осуществляет при помощи полимерных соединений дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и рибонуклеиновой кислоты (РНК). ДНК является хранительницей генетической информации, заложенной в последовательность оснований, расположенных вдоль ее цепи. РНК способна считывать хранимую в ДНК информацию, переносить ее в среду с исходными для синтеза белка материалами и строить из них нужные белковые молекулы.

Существует одно важное и пока не нашедшее объяснения различие в свойствах живого и неживого веществ.

Концепция А. И. Опарина относится к группе голобиоза, поскольку исходит из идеи первичности структур типа клеточной, наделенной способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма. Нуклеиновые кислоты при таком механизме появляются на завершающем этапе.

Примером иной точки зрения служит концепция Дж. Холдейна, согласно которой первичной была не структура, способная к обмену веществ с окружающей средой, а макромо-лекулярная система, подобная гену и способная к саморепродукции, и потому названная им «голым геном». Подобную группу концепций называют генобиозом или информационной гипотезой.

Позиции гипотезы генобиоза заметно укрепились к 1970-м годам, а в 1980-е годы в представлениях о доклеточном предке она стала доминирующей. Общее признание в рамках этой гипотезы получила идея, согласно которой хирально чистыми молекулярными «блоками», составившими основу для зарождения живого, были макромолекулы ДНК или РНК.

Оказалось, что РНК наделена такой же генетической памятью, как и ДНК, и вопреки устоявшейся генетической догме возможен перенос генетической информации от РНК к ДНК при участии фермента, открытого в начале 1970-х годов. Была установлена способность РНК к саморепродукции в отсутствии белковых ферментов, то есть автокаталитическая функция.

Гипотеза о механизме зарождения макромолекул, необходимых для строительства белка, высказана Эйгеном в работе «Самоорганизация материи в ходе химической эволюции» (1971). Эйген распространил на процессы, которые должны были происходить при эволюционном скачке, принцип дарвиновского отбора и ввел понятие конкуренции гиперциклов, или циклов химических реакций, которые приводят к образованию белковых молекул. Циклы, работающие быстрее и эффективнее остальных, выживают и побеждают в конкурентной борьбе. Как можно досюда дочитать и не охуеть? Пищей служат молекулы мономеров, которые поглощаются при полимеризации или в ходе циклов реакций. В «первичном бульоне» присутствуют и катализаторы химических реакций, которые образуются в них как промежуточные продукты, то есть возникает автокаталитическая самоорганизующаяся система.

После образования «первичного бульона» из углеродных соединений, появилась возможность образования биополимеров — нуклеиновых кислот и белков, обладающих свойствами самовоспроизводства. В результате осаждения органических соединений на минеральных телах, например на глине дна водоемов, возникла концентрация, необходимая для образования полимеров. Вода в начальный период формирования нашей планеты непрерывно перемещала растворенные в ней вещества из мест образования в места накопления, где формировались протобионты (системы органических веществ, способные расти и развиваться за счет поглощения из окружающей среды богатых энергией веществ).

Затем образовались микросферы, или коацерваты (сгустки органических веществ), между которыми выстраивались молекулы сложных углеводородов. Это приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. Включение в коацерват молекулы, способной к самовоспроизведению, приводило к возникновению примитивной клетки, которая могла расти. Мембраны располагались на поверхности клетки, а также многократно прошивали ее насквозь в разных направлениях, образуя внутреннюю сеть мембран. На мембранах концентрировались абиогенно синтезированные ферменты, что упорядочило обмен веществ в клетках. Он начал зависеть от свойств и порядка расположения ферментов на мембранах. У нуклеиновых кислот, которые синтезировались абиогенно, еще не было однозначно заданных матриц, в соответствии с которыми каждая новая молекула нуклеиновых кислот копирует последовательность азотистых оснований молекулы-матрицы.

Первые клетки через ряд последующих поколений передали строение молекул ДНК клеткам современных организмов. Таким образом, современные клетки происходят из большого количества абиогенно сформировавшихся прототипов.

Вероятно, древнейшая жизнь существовала в качестве гетеротрофных бактерий, получавших пищу и энергию от органического материала абиогенного происхождения, образовавшегося на еще более ранней стадии эволюции Земли. Исходя из этого, можно представить, что начало жизни на нашей планете отодвигается более чем на 4 млрд лет назад, то есть жизнь на Земле существует примерно столько же времени, сколько существует сама планета.

Вопрос о сущ­ности жизни – это одна из глубочайших тайн в познании мира, которая   с самых древних времен влекла, а порой и от­пугивала своей недоступностью тех, кто задумывался над тайнами природы.

На протяжении тысячелетий загадка жизни оставалась прибежищем метафизики, областью верований, а не знания. Жизнь рассматривалась как сверхъестественное и потому непознаваемое явление. Многие авторы, расходясь в мелочах, сходи­лись в утверждении, что живые существа и жизненные процессы не могут быть объяснены в логических понятиях.

Развитие науки, как известно, опровергло все эти вековые заблуждения. Стоит ли напоминать, что раскрыт генетический код, выяснена трехмерная структура белковой молекулы? В отношении химического состава живых объ­ектов можно сказать, что практически достигнут предел: мы знаем этот состав с почти ис­черпывающей полнотой, и вряд ли нас ожидают какие-либо крупные сюрпризы на этом пути.

Войткевич Г. В. Возникновение и развитие жизни на Земле. — М., 1988.

Кастлер Г. Возникновение биологической организации. — М., 1967.

Кузнецов В. И. Общая химия. Тенденции развития. — М., 1989.

Опарин А. И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие: 2-е изд.-М., 1968.

Чипндейл П. Порядок и беспорядок в природе. — М., 1987.

Эйген М., Винклер Р. Игра жизни. — М., 1979.