Концепции происхождения жизни на Земле

Эволюция жизни предполагает ее истоки, начало. Проблема происхождения жизни является одной из важнейших не только в биологии, но и во всем естествознании и имеет большое мировоззренческое значение. Рассмотрим основные концепции возникновения жизни на Земле.

Креационизм – концепция сверхъестественного (божественного) происхождения живого, основаная на вере и поэтому не относящаяся к области науки.

Концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества появилась в древности (Аристотель). В XVII в. биолог Ф. Реди противопоставил ей принцип: живое возникает только из живого (так называемый принцип Реди или концепция биогенеза). Уже в XIX в. Л.Пастер окончательно опроверг концепцию самопроизвольного зарождения, показав, что эффект неоднократного появления жизни там, где она не существовала, связан с бактериями. Методика избавления от бактерий получила название пастеризация.

Концепция стационарного состояния предполагает, что Земля и жизнь на ней существовали всегда, причем в неизменном виде. Эта концепция носит абсолютно умозрительный характер и не согласуется со свидетельствами эволюционности живого.

Концепция панспермии связывает появление жизни на Земле с ее занесением из космического пространства. Теоретическая возможность панспермии подтверждается обнаружением следов органических соединений в метеоритном и кометном веществе. В 1975 г. предшественники аминокислот найдены в лунном грунте. Эта концепция разделялась многими учеными, и интерес к ней периодически возрастает.

Общепринятой в естествознании в настоящее время можно считать концепцию биохимической эволюции. Согласно современному варианту концепции, жизнь зародилась на Земле естественным путем в результате химических, а затем – биохимических процессов. Причем, это явилось не маловероятной случайностью, а достаточно вероятным результатом самоорганизации.

Современные представления о жизни восходят к гипотезам Опарина и Холдейна. А.И. Опарин в России и Дж. Холдейн в Англии в 1920-е гг. утверждали, что данные химии и геохимии, полученные к тому времени, достаточны для того, чтобы представить естественный процесс развития систем, имеющих признаки живого. В концепции биохимической эволюции важную роль играет эволюция самой планеты Земля.

Образовавшись из протоплазменного облака примерно 4,6 млрд. лет назад, Земля была космическим объектом с температурой в несколько тысяч градусов. По мере остывания планеты образовалась земная кора, нестабильная из-за высокой вулканической активности и глобальных подвижек. Согласно гипотезе Опарина, атмосферу ранней Земли составляли, в основном, тяжелые газы (аммиак, двуокись углерода, метан, пары воды). Отсутствие в атмосфере кислорода было, вероятно, необходимым условием возникновения предбиологических образований, так как органические вещества гораздо легче синтезируются в восстановительной среде, чем в окислительной. Вода оставалась в газообразном состоянии до тех пор, пока изменение совокупности параметров «температура-давление» не привело к ее конденсации.

По современным представлениям появление жизни тесно связано с возникновением земных океанов. Первые осадочные породы, свидетельствующие о появлении крупных водоемов, датируются временем 3,8 млрд. лет назад. Опарин полагал, что сложные органические вещества могли синтезироваться из более простых при активационном воздействии мощного солнечного коротковолнового излучения, существовавшего в тот период без фильтрующего слоя современной атмосферы. Для построения любого сложного органического соединения, необходимого для живой материи, достаточно небольшого набора мономеров.

Разнообразие находящихся в древнем океане простых соединений, громадная площадь поверхности, высокие температуры и интенсивные потоки активирующего излучения, атмосферные электрические разряды, а также большая длительность процессов химической эволюции позволяют предположить, что в водной среде синтезировались, а в поверхностном водном слое и первичном грунте постепенно накопились органические вещества. Они стали тем «первичным питательным бульоном», в котором могли сформироваться системы органических веществ, необходимых для последующего возникновения предбиологических структур – белки и нуклеиновые кислоты. В лаборатории Опарина моделировались условия, напоминающие описанные, и в этих условиях выполнялись эксперименты по синтезу органических веществ. В результате были синтезированы не только аминокислоты, но и другие сложные соединения. Подобного рода эксперименты с успехом были проведены и во многих других исследовательских центрах.

Возраст древнейших организмов, следы которых обнаружены в геологических отложениях, оценен в 3,2-3,5 млрд. лет. Это минерализовавшиеся микроорганизмы, похожие на простейшие бактерии и микроводоросли. Эти организмы стоят на гораздо более высоком уровне организации, чем самые сложные из известных органических соединений. Но нет сомнений, что это не самые древние формы простейших организмов. Истоки жизни уходят в первый миллиард лет существования Земли, не оставивший следов а ее геологической летописи. Центральным вопросом концепции биохимической эволюции является вопрос о характере предбиологической системы, появившейся в результате химической эволюции в тот «темный» миллиард лет земной истории. Этот вопрос решается приверженцами данной концепции на основе двух разных подходов.

Первый подход реализован в гипотезах, построенных на идее голобиоза, то есть первичности структуры типа клеточной, наделенной способностью к элементарному обмену веществ. Такого подхода придерживался и Опарин. Реконструируя возможный ход биохимической эволюции, Опарин опирался на установленную экспериментально возможность образования коллоидных гелей (студнеобразных смесей), образующихся при смешении белков и других высокомолекулярных соединений. Этот процесс был назван коацервацией. Согласно гипотезе Опарина образование поверхностно обособленных гелевых структур (коацерватов) и было тем центральным событием, которое предшествовало началу биогенеза, то есть подлинной биологической эволюции на уровне первичной клеточной структуры.

Альтернативный подход к данной проблеме использован в группе гипотез, утверждающих первичность возникновения в результате химической эволюции молекулярной системы со свойствами генетического кода. Это идея генобиоза, получившая наибольшее признание на современном этапе развития концепции биохимической эволюции. В рамках этого подхода возник вопрос о первичности одной из двух типов информационных молекул ДНК и РНК, и установлена первичность РНК.

Скачок эволюции «аминокислоты-живая клетка» до сих пор остается непознанным. Весь этот скачок с помощью ряда гипотез разбивается на цепочку шагов, но каждый шаг – во многом загадка, а вся схема – комплексная гипотеза.

Современная точка зрения на биохимическую эволюцию базируется на идеях о самоорганизации в открытых сильнонеравновесных системах.

Итак, при рассмотрении проблемы возникновения жизни естественным путем, то есть в рамках концепции биохимической эволюции, можно выделить три основных этапа предположительного сценария перехода от неживого к живому:

1) этап синтеза исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы и состояния поверхности ранней Земли;

2) этап синтеза биополимеров из накопившихся органических соединений;

3) самоорганизация сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процессов обмена веществом и воспроизводства органических структур, завершающееся образованием простейшей клетки.