Развитие представлений о происхождении жизни на Земле

Гипотезы о зарождении жизни на Земле. Первые представления о происхождении земной жизни были основаны на вере в Бога, создавшего в определенный момент Землю и ее живых организмов. Совокупность таких представлений называется креационизмом. В Книге Бытия утверждается, что Бог создал растения в 3-й день творения, животных – в 5-й, а человека – в 6-й. В 1650 г. ирландский архиепископ Ашер на основе анализа возраста и родства библейских персонажей определил, что Бог сотворил Мир в октябре 4004 г. до н.э. Впоследствии в результате археологических исследований и определения возраста находок путем физических методов было установлено, что в 4004 г. до н.э. на Ближнем Востоке уже существовала развитая цивилизация.

По последним научным данным, Земля существует около 4.6 млрд. лет, а жизнь на ней – более 3.5 млрд. лет. Достоверное определение возраста древних природных объектов стало возможным только в ХХ в. после разработки физиками радиоактивного метода датировки событий, основанного на анализе закономерностей радиоактивных распадов атомных ядер. Считается, что первыми живыми организмами на Земле были клетки бактерий и сине-зеленых водорослей.

Креационизм не может быть научно обоснован, т.к. процесс божественного создания жизни недоступен ни для прямого, ни для косвенного наблюдений.

В античное время сформировалась первая естественно-научная концепция происхождения жизни на Земле. Ее сторонники полагали, что земная жизнь возникла из неживого вещества путем самозарождения. Древнегреческий философ Эмпедокл (ок.490–ок.430 гг. до н.э.) считал, что живые организмы возникли из первозданного хаоса путем случайного соединения отдельных элементов, неудачные сочетания которых впоследствии погибали, а удачные сохранялись. Аристотель (384–322 гг. до н.э.) придерживался мнения, что живое может возникать из неживого неоднократно. Он считал, что в некоторых частицах неживого органического вещества содержится «активное начало», которое при определенных условиях может создать живой организм. Другие античные мыслители полагали, что активное начало жизни может быть заключено в воде, иле или гниющей земле.

Идеи о неоднократном самозарождении жизни на Земле просуществовали до ХIХ в. Опыты, проведенные итальянским ученым Ф.Реди (1626–1698) и французским естествоиспытателем Л.Пастером (1822–1895), опровергли возможность повседневного, неоднократного зарождения живых организмов из неживого вещества. Результаты их исследований способствовали распространению идей о том, что жизнь существовала всегда, составляющих основу теории вечности живого. Ее главный принцип, называемый сейчас биогенезом, – «все живое – из живого».

Современные естественно-научные представления о происхождении земной жизни формируются на основе изучения геологической эволюции нашей планеты, управляемой фундаментальными физическими и химическими законами, и исследований воздействия космоса на Землю.

В ХIХ в. стала популярной гипотеза панспермии, согласно которой жизнь была занесена на Землю из космоса. Её сторонниками были такие знаменитые ученые, как Г.Гельмгольц (1821–1894), У.Томсон (1824–1907), С.Аррениус (1859–1927), В.И.Вернадский (1863–1945) и др. Они исходили из распространенного в то время в физике предположения о вечности Вселенной, её материи и атомов. Поэтому считалось, что могут быть вечными и «мельчайшие частицы живого» – микроорганизмы и споры, которые могут переноситься по космосу кометами и метеоритами.

Развитие физики в ХХ в. показало, что одни атомы в результате ядерных реакций могут превращаться в другие атомы (это происходит, например, в процессах радиоактивных превращений атомных ядер). А это означает, что они не являются вечными, как считалось раньше. По последним научным данным, возраст Вселенной составляет около 14 млрд. лет. С помощью физических исследований было установлено, что первые атомы углерода, являющегося основой живых организмов на Земле, были синтезированы во Вселенной в недрах звезд более 10 млрд. лет назад. В то время, как следует из гипотезы рождения Вселенной в результате Большого Взрыва, Вселенная была еще очень горячей, и, следовательно, никакая жизнь не могла тогда существовать. Значит, жизнь, если она была занесена на Землю из космоса, должна была зародиться в нем уже после синтеза во Вселенной первых углеродных атомов.

Но могут ли споры путешествовать по Вселенной? В опытах С.Аррениуса была продемонстрирована высокая устойчивость спор, являющихся зародышами бактерий, водорослей и грибов, к большим перепадам температур и к разреженному пространству, характерным для космоса. А в экспериментах, проведенных П.Беккерелем, было установлено, что споры, способные существовать в вакууме и на холоде, разрушаются ультрафиолетовым и более мощными излучениями.

Сейчас сторонники гипотезы панспермии считают, что микроорганизмы и споры могут переноситься по Вселенной только в глубине комет и метеоритов, защищающих их от холода, высоких температур, вакуума и излучений звезд.

Недавно ученые обнаружили в кометах различные органические вещества, а в метеоритах – кроме простых органических соединений, короткие белковые цепи, а также окаменевшие структуры, похожие на древние земные бактерии и сине-зеленые водоросли.

В 1922 г. русский биохимик А.И.Опарин (1894–1980) выдвинул гипотезу об абиогенном возникновении земной жизни в результате однократного зарождения живого из неживого на ранней Земле. Он считал, что земная жизнь появилась в результате последовательного перехода от протекавшей на молодой Земле химической эволюции к биохимической. Идеи А.И.Опарина, которые также развивал английский ученый Дж.Б.Холдейн (1892–1964), составляют основу теории происхождения жизни на Земле путем биохимической эволюции.

В результате химической эволюции образуются более сложные химические соединения из атомов и простых молекул. Биохимическая эволюция – это возникновение в результате физико-химических процессов тех органических веществ, без которых живые организмы функционировать не могут. Для земной жизни такими веществами являются белки и нуклеиновые кислоты, а также углеводы (моносахариды и полисахариды) и жиры.

Природные процессы, способствующие биохимической эволюции. А.И.Опарин считал, что процессы, в результате которых на Земле зарождалась жизнь, управлялись теми же физическими и химическими законами, которые и сейчас действуют в природе. Химические и биологические процессы обусловлены существованием в природе электромагнитного взаимодействия. Гипотеза абиогенного возникновения жизни («живое – из неживого») не противоречит ни одному из известных в настоящее время фундаментальных природных законов, в том числе – и второму началу термодинамики, согласно которому большинство процессов во Вселенной приводят к росту беспорядка.

Земная жизнь (а нам известна только такая форма жизни) основана на углероде, способном образовывать длинные цепочки атомов. В древних водоемах на Земле могли накапливаться, взаимодействовать и усложняться разные соединения углерода. Их источниками могли быть вулканы и ранняя атмосфера Земли, состоявшая в основном из метана (СН₄), аммиака (NH₃), паров воды (Н₂О), а также азота (N₂), оксидов углерода (СО₂ и СО), водорода (Н₂) и сероводорода (H₂S).

Вода помогала веществам соединяться вместе и формировать добиологический «первичный бульон». Вначале в таком «бульоне» были простые молекулы. С ними происходила химическая эволюция, в результате которой могли возникнуть системы взаимодействующих макромолекул – предорганизмы. Предорганизмы усложнялись, объединялись под общей оболочкой, что могло послужить основой для появления первых живых существ.

А.И.Опарин считал, что предками первых живых клеток были коацерваты – капли, в которых концентрировались органические вещества «бульона». Коацерваты отделялись от окружающей среды оболочками (прообразами клеточных мембран), забирали из нее различные вещества, строили из них более сложные химические соединения, а ненужные вещества удаляли через оболочку во внешнюю среду.

В настоящее время выделяют 3 этапа перехода от неживой к живой природе:

1) синтез из неорганических веществ аминокислот, нуклеотидов, моносахаридов, жирных кислот, входящих, соответственно, в состав белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и жиров – биологических макромолекул, без которых живые организмы на Земле функционировать не могут;

2) образование из аминокислот, нуклеотидов, моносахаридов и жирных кислот биологических макромолекул;

3) самоорганизация (самоусложнение) биологических макромолекул, формирование полимерных систем (коацерватов или других аналогичных структур) с каталитическим взаимодействием белков и нуклеиновых кислот, появление в них процессов обмена веществ с окружающей средой и воспроизводства сложных органических структур, возникновение генетического кода и формирование простейших организмов, способных к самовоспроизведению.

Источниками энергии для указанных процессов могли быть: электромагнитное излучение Солнца, космические лучи, электрические разряды в земной атмосфере, столкновения с метеоритами, а также радиоактивный распад тяжелых элементов в недрах Земли и извержения вулканов.

Возможность образования исходных органических веществ для последующей биохимической эволюции была неоднократно продемонстрирована во многих экспериментах, моделирующих условия, существовавшие на ранней Земле. Широко известен опыт американского студента С.Миллера, проведенный в 1953 г. Он налил в запаянную колбу кипящую воду; над водой поместил смесь метана, аммиака и водорода, моделирующую древнюю атмосферу Земли; через стеклянные стенки пропустил провода, по которым протекал электрический ток. Электрическая искра моделировала грозовой разряд. Через некоторое время в такой воде образовались несколько аминокислот и другие органические вещества.

Аналогичные опыты были проведены с углекислым газом и азотом, которые также могли содержаться в ранней атмосфере Земли. Кроме электрической искры использовались и другие источники энергии – ультрафиолетовое излучение, радиоактивность, нагревание и сильные удары, моделирующие воздействия метеоритов. И в каждом из таких опытов ученые получали различные исходные вещества для биохимической эволюции.

Экспериментально установлено, что смесь искусственно созданных аминокислот может образовать цепочки длинных полимерных молекул, если ее запечь, как пирог. Такие процессы могли происходить на молодой Земле, на которой интенсивно извергались вулканы.

Со 2-го этапа добиологической эволюции, по мнению ученых, должна была существенно возрасти роль катализа, автокатализа и отбора устойчивых и активных органических полимерных структур. Катализаторами биохимических процессов являются белки особого типа (в их центрах находятся ионы металлов), называемые ферментами. Ферменты обладают строгой специфичностью: для каждого типа биохимических реакций в живом организме необходим свой биокатализатор. Вероятно, определяющими факторами их возникновения и дальнейшей эволюции стали автокатализ, заключающийся в том, что ускорение химической реакции осуществляется ее продуктами или исходными веществами, а также отбор, выделяющий те химические процессы, в результате которых образовывались наиболее устойчивые и каталитически активные вещества. Катализаторами химических реакций, в которых синтезировались первые биополимеры, могли быть также и неорганические вещества.

Биополимеры разрушаются ультрафиолетовым излучением Солнца, которое свободно проникало на поверхность ранней Земли из-за отсутствия озонового слоя в ее атмосфере. Поэтому они могли синтезироваться и сохраняться только в среде, защищенной от указанного воздействия, и такой средой мог быть первичный океан, образовавшийся при остывании нашей планеты.

Но почему сейчас из неживой материи не возникают новые формы земной жизни? Потому что этому препятствует та жизнь, которая зародилась на нашей планете более 3.5 млрд. лет назад. Считается, что когда жизнь на Земле появилась, она «съела» вещества преджизни и стал действовать принцип «живое из живого».

В результате биохимической эволюции жизнь могла возникнуть и на других космических объектах, живые организмы могли попасть в метеориты и кометы, которые могли разнести их по Вселенной.

В последние годы появились новые идеи о происхождении жизни на Земле. Известно, что размер элементарной ячейки кристалла апатита равен 3.4 А (1А=10^-10м). Апатит участвует в строительстве многих живых организмов. Он содержится в костях и зубах. Расстояние между ближайшими звеньями (нуклеотидами) в цепи молекулы ДНК любого живого организма тоже равно 3.4 А. Случайно или закономерно такое совпадение? Может быть, на ранней Земле происходило спекание молекул аммиака, метана, оксидов углерода с кристаллами апатита или других минералов, приводящее к образованию веществ, подобных известным биополимерам? Кристаллическая структура минералов могла быть первичной матрицей для образующихся высокомолекулярных соединений. В дальнейшем, при остывании планеты, такие кристаллические предорганизмы, могли попасть в возникшие водоемы.

Окончательного подтверждения происхождения жизни на Земле в результате биохимической эволюции нет. Ученым пока не удалось создать живой организм из неживого вещества. Но даже если это когда-нибудь и удастся сделать, условия, при которых живое существо получат из неживой материи, будут отличаться от существовавших на ранней Земле или на каком-то другом космическом объекте, на котором могла зародиться жизнь. Мы не можем вернуться в прошлое, повторить его во всех деталях. Именно поэтому вопрос о происхождении той жизни, эволюция которой привела к появлению нас, вряд ли когда-нибудь получит однозначный ответ.

Непонятными остаются механизмы возникновения самоорганизующихся полимерных систем из хаотической смеси различных мономеров, происхождение генетического кода и механизмы самоорганизации отдельных клеток.

Некоторые ученые считают недостаточным для биохимической эволюции на Земле интервал времени с момента формирования нашей планеты (около 4.6 млрд. лет назад) и появления первых водоемов на ней (4–3.8 млрд. лет назад) до возникновения земной жизни (более 3.5 млрд. лет назад).

Возможно в будущем развитие науки позволит ученым лучше понять те процессы, которые могли привести к зарождению земной жизни.