Проблема происхождения жизни
Андрей Тихомиров
Жизнь реализуется в различных биологических организмах и их совокупностях (популяциях, видах и т. п.). Каждый организм является открытой самоорганизующейся системой, для которой характерны наличие обмена веществ, способность к размножению, росту, активной регуляции своего состава и функций, к различным формам движения, раздражимость, приспособляемость к среде. Основы теории возникновения жизни на Земле были заложены в 20-х гг. прошлого века трудами Александра Ивановича Опарина (1894-1980).
Андрей Тихомиров
Проблема происхождения жизни
Проблема происхождения жизни как мировоззренческая проблема имеет первостепенное философское значение. Теологи доказывают маловероятность чисто случайного происхождения жизни. Они отрицают или просто не принимают эффект приспособления, возникающий в первичных системах благодаря их взаимодействию с внешней средой, как то, чему совершенно чужда любая рациональность, способная породить рациональную организацию живого. Богословы считают, что ученые пытаются найти источник естественного развития в самой материи, тогда как этот процесс является лишь реализацией некогда составленной Творцом программы. Однако для материалистов в основном понятны пути эволюционного развития материи, приведшие к возникновению первичных живых существ на нашей планете. Схематично его можно разделить на несколько этапов: во-первых, появление углеводородов, цианидов и их ближайших производных в космическом пространстве и при формировании Земли как планеты; во-вторых, абиогенные, независимые от жизни синтезы все более сложных органических веществ в межпланетном пространстве и на планетах, появление на поверхности Земли «первичного бульона» – водного раствора различных и сложных органических веществ; в-третьих, самообразование в этом «бульоне» индивидуальных полимолекулярных систем, способных взаимодействовать с окружающей средой и окружающей средой, и, наконец, дальнейшая эволюция этих образований, их всестороннее совершенствование на основе предбиологического отбора, возникновение и развитие первичные организмы. Подробному изучению каждого из этих этапов посвящены дальнейшие исследования проблемы происхождения жизни, но особое внимание ученых сейчас привлекает переход от чисто химической к биологической эволюции.
Важным для ее развития было открытие в 50-х годах того факта, что основу живого вещества составляют наряду с белками дезоксирибонуклеиновые и рибонуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). Теперь эта теория, основанная на достижениях биохимии, биофизики, молекулярной биологии, цитологии и других наук, приводит к выводу, что жизнь на Земле возникла около 4 миллиардов лет назад. много лет назад. Эволюция изначально присутствующих на Земле углеродистых соединений и образовавшихся из них мультимолекулярных систем привела к возникновению жизни. Эксперименты, имитирующие условия на поверхности молодой Земли, показали, что затем из простых органических соединений, воды и аммиака образовались разнообразные более сложные соединения, в том числе аминокислоты, нуклеотиды, которые в свою очередь образовали белок- и нуклеиноподобные полимеры – полипептиды. и полинуклеотиды. В растворе органических веществ, в прогретой солнцем воде морей при определенных условиях образовались полимолекулярные коллоидные системы (коацерватные капли), обособившиеся от окружающей среды, но поддерживающие с этой средой постоянный обмен веществом и энергией. Внутри коацерватных капель или других фазово-разделенных образований происходило взаимодействие полинуклеотидов и полипептидов: полинуклеотиды служили матрицами для неферментативного синтеза полипептидов, полиаминокислоты связывали определенные нуклеотиды. Это взаимодействие оказало непосредственное влияние на устойчивость пластов. Те, у которых взаимная структурно-функциональная обусловленность полинуклеотидов и полипептидов была более выражена, чем у других, оказались более устойчивыми и долговечными, так как лучше уравновешивались внешней средой. Произошел первичный отбор образований с наиболее взаимно «подогнанными» в структурно-функциональных отношениях полипептидными и полинуклеотидными элементами. В этих условиях возникли такие образования, в составе которых нуклеотидные элементы превратились в нуклеиновые кислоты, выступавшие организаторами и матрицами белкового синтеза, а полипептидные элементы – в белковые ферменты, обеспечивающие саморепликацию молекул нуклеиновых кислот. Эти образования могли повышать уровень упорядоченности своего строения за счет использования энергии и вещества внешней среды, воспроизводить себя на основе информации, содержащейся в химическом строении нуклеиновых кислот, и обладали индивидуально разной способностью балансировать с окружающей средой, так что первичный отбор превратился в качественно новое, биологическое явление – естественный отбор. Такие образования были первичными живыми телами.
Изучая систематику низших растений, А.И. Опарина прежде всего интересовал вопрос о том, какие из них следует считать наиболее древними и, возможно, первоисточниками этого жития. В то время в научном мире считалось несомненным, что первичными живыми существами были, скорее всего, организмы, способные «извлекать» необходимые им органические вещества путем фото- или хемосинтеза. Ученые были убеждены, что в природных условиях только живые существа могут создавать органические вещества. Правда, химикам уже удалось синтезировать в лаборатории ряд природных органических веществ, но это ничуть не поколебало этих убеждений. Логика рассуждений сторонников господствовавшего взгляда на происхождение органического мира в данном случае сводилась к следующему: химик – тоже живое существо, и только он способен выбрать правильную последовательность реакций для синтеза органические вещества. В неорганическом мире этого нет и быть не может. Он также считал, что именно среди простейших растений, среди первобытных форм жизни следует искать следы первоначальных механизмов жизни, которые за миллиарды лет эволюции превратили прежде безжизненную планету в колыбель разума. Но биохимические механизмы даже самых примитивных растений оказались настолько сложными, что было бы верхом оптимизма думать о возможности их возникновения непосредственно из неорганических веществ – углекислого газа, воды и азота. И поэтому А.И. Опарин предположил, что первоначально должны были образоваться гораздо более примитивные организмы, которые формировались из существующих органических веществ и «питались» уже готовой «органикой». Но чтобы обосновать это, нужно было открыть возможные пути синтеза органических веществ в неорганической природе. В этом плане помогла теория Д. И. Менделеева о неорганическом происхождении нефти, а также то, что в метеоритах и кометных спектрах обнаружены углеводы и цианиды. Аммиак и метан в атмосферах больших планет были обнаружены гораздо позже, и уже задним числом они укрепили мои позиции.
Сочетая все вышеизложенные факты, А.И. Опарин в 1922 г. выступил с докладом на заседании Московского отделения Общества русских ботаников, в котором высказал мысль о том, что наша планета обязана зарождением жизни добиологической эволюции органических веществ. Сами они возникли на еще неживой земле абиогенным путем и, постепенно усложняясь, превратились в отдельные коллоидные сгустки, из которых, благодаря естественному отбору, произошли первичные существа – предки всего живого.
Вполне естественно, что никакое определение научного понятия не может быть исчерпывающим. Можно определить понятие жизни как особая форма организации и движения материи, возникающая как нечто новое в процессе ее эволюции и наделенная рядом свойств, качественно отличающих живые тела от объектов неорганического мира. Среди этих свойств следует особо отметить целесообразность организации живых тел. Под этим следует понимать приспособленность всего живого организма к его постоянному самосохранению и самовоспроизведению в данных условиях существования и приспособленность строения всех его частей к тем функциям, которые они выполняют по сохранению и воспроизведение целого.
Современные эксперименты показывают, что сами аминокислоты могут «задавать» порядок своих соединений. Многие думали и думают теперь, что такой процесс случаен, но это не так. В современных белках двадцать аминокислот, и каждая из них имеет свою форму. Из-за этого соединение аминокислот при образовании больших молекул может происходить только определенным образом. Затем большая молекула вступает в контакт с водой и образует так называемые микросферы, во многом похожие на коацерватные капли. Они способны к самовоспроизведению и обладают ферментативной активностью. Конечно, и микросферы, и коацерватные капли являются лишь моделями клеток, но мы получаем их из аминокислот, а не из белков современных клеток. Эксперименты показали, что первый белок высокоорганизован. Отказ от понятия «счастливый случай» и переход к эволюционному изучению происхождения жизни открывают перед исследователем широчайшие перспективы для изучения и экспериментального воспроизведения отдельных стадий этого сложного, длительного и во многом неизученного пути развития материи, что привело к рождению первичных живых существ на Земле.
Этот метод в последние годы овладевает умами все более широких кругов естествоиспытателей во всем мире. Причем в исследованиях принимают участие не только биологи, как это было раньше, но и физики, астрономы, геологи и химики.
Важнейшим, но в то же время наименее изученным этапом эволюции жизни является переход от наиболее сложных органических молекул к наиболее примитивным первичным организмам.
В организации простейшего живого существа нас поражает не только его чрезвычайная сложность, но и его исключительная приспособленность к выполнению определенных жизненных функций, направленных на постоянное самосохранение и самовоспроизведение живой системы.
Возникновение такой приспособленности, такой внутренней «целесообразности» организации можно понять только исходя из тех же принципов, что и возникновение «целесообразности» строения любого высшего организма, всех его органов, т. е. основе взаимодействия организма с окружающей средой и дарвиновского принципа естественного отбора. Это исключительно биологическая закономерность, которой не было в неорганическом мире и которая возникла, по-видимому, в самом процессе формирования жизни и в дальнейшем заняла ведущее место в развитии всего живого. Однако следует отметить, что эволюционный подход к проблеме происхождения жизни не является ее решением, а является лишь методом исследования. Конкретные механизмы эволюции, детальное изучение каждого ее этапа, логическое объяснение
длинная цепь физико-химических превращений, приведших к возникновению жизни, изучение процесса формирования биологических закономерностей и расцвета жизни на Земле – огромное поле деятельности многих поколений ученых. Между тем многие исследователи доказали, а некоторые продолжают доказывать и сейчас, что вся жизнь – крайне маловероятный процесс. На самом деле доказать, что жизни не должно быть, несложно, это гораздо проще, чем доказывать обратное. Но поскольку жизнь существует, мы должны понять и объяснить ее.
Стремясь охватить единым взглядом весь путь эволюции соединений углерода, лежащих в основе всего живого, мы можем четко разделить его на три основных этапа: абиотический, биологический и социальный.
Весьма показательно, что эта эволюция осуществлялась и осуществляется все более ускоряющимися темпами. Графически ее можно изобразить в виде круто восходящей кривой, причем на тех ее отрезках, которые соответствуют периодам зарождения жизни и становления человеческого общества, нарастание темпов развития происходит особенно быстро.
Абиотическая, неорганическая, эволюция углеродистых соединений
