6. Возникновение жизни на Земле
Попытки понять мироздание и его начало служили краеугольным камнем человеческого познания. Представления о возникновении жизни претерпели длительную эволюцию. Самые первые попытки осмысления встречаются в мифах, затем появились различные научные теории, которые лишь постепенно получили современную форму.
Древние греки считали, что Космос проходит стадию зарождения и распада, роста и разрушения. В основе концепции Космоса Аристотеля лежит аналогия с тем, как растения и животные возникают, растут, изменяются и умирают.
Грандиозная работа по составлению каталогов животных и растений на протяжении ХVII-ХVIII вв. и, возникшая на её основе классификация видов, неразрывно связанная с именем Линнея, свидетельствовали в пользу представления о неизменности видов, по крайней мере, видов крупных животных и растений. Однако у этой концепции было два уязвимых пункта. Первый из них был связан с поведением микроскопических животных, открытых в ХVII веке Левенгуком. Они могли самостоятельно двигаться, отличались большим разнообразием и, проявляя все признаки живых существ, казалось бы, не подчинялись общепринятым законам зарождения. Было предположено, что эти существа могут самостоятельно зарождаться или образовываться в результате случайного соединения тех или иных химических веществ. Так возникла концепция спонтанного самозарождения.
Вторая трудность стала очевидной благодаря исследованиям биологов. Оказалось, что ископаемые остатки животных различных видов распределяются по биологическим слоям в определенной закономерной последовательности. Из этой закономерности следовало, что виды постепенно изменяются и развиваются от простых форм к более сложным под влиянием естественного отбора. Ч. Дарвин не только констатировал факт эволюции видов, но и вскрыл механизм – естественный отбор. Возникло представление, что растения, и все виды животных составляют части единого древа жизни. Но жизнь представала как безликая протоплазма с внутренне присущей способностью к росту и размножению. Несмотря на то, что вопрос о возникновении жизни был сформулирован в ХIХ веке, разрешить его в том веке не могли – не было необходимых химических знаний о жизненных функциях.
Опираясь на результаты биохимии, в 1924 году опубликовал книгу «Происхождение жизни» А.И. Опарин. Идеи, высказанные в этой небольшой по объему книге, легли в основу почти всех современных теорий возникновения жизни. Пять лет спустя по существу те же самые положения независимо от Опарина высказал Дж. Холдейн. Обе работы представляют собой попытку использовать новые знания относительно циклов биохимических реакций окисления и брожения, для того, чтобы объяснить возникновение жизни через возникновение её важнейших биохимических свойств в условиях, которые, как предполагалось, существовали на первобытной Земле. При этом особое внимание обращалось на процессы, происходящие в океане, или гидросфере, а также изменения в примитивной атмосфере Земли.
В конце ХIХ века удалось выяснить роль органических молекул, способных во много раз ускорять обычные химические реакции и чрезвычайно специфических в своих действиях. То есть были открыты ферменты, как органические катализаторы. Опарину стало ясно, что возникновение ферментов явилось необходимым звеном процесса зарождения жизни. Опарин попытался устранить противоречия, порожденные успехом опытов Л. Пастера, экспериментально доказавшего невозможность спонтанного самозарождения. Пастер показал, что живое возникает из зародышей, уже присутствующих в среде. Если согласиться с таким выводом, то жизнь следует считать такой же вечной, как сама материя. Жизнь зародилась на Земле, а Земля единственная среди планет солнечной системы имеет атмосферу, в которой большую роль играет кислород. Однако молекулярный кислород сам является продуктом жизни.
Нынешняя земная жизнь распределяется на две больших категории: животные, дышащие кислородом, растения, способные к фотосинтезу. Животные могут жить в темноте, им необходим для дыхания кислород. Растения не нуждаются в кислороде, они сами образуют его на свету, но растения не способны долго жить и расти в темноте. Было предположено, что растения и животных следует рассматривать как дивергированных в своей специализации потомков общих прародителей, зоофитов. Зоофиты напоминали бактерий, которые способны выполнять одновременно как животные, так и растительные функции, то есть осуществлять фотосинтез и окисление.
Для возникновения жизни кроме кислорода, необходимы были органические вещества. «Начальным звеном этого процесса было абиогенное образование органических веществ на поверхности нашей планеты». (8. С. 21). Он предположил, что они образовались из метана и аммиака под действием ультрафиолетового излучения Солнца. Идея о возникновении органических веществ, предшествующих зарождению жизни, весьма правдоподобна. Этот процесс из-за сравнительно небольшой доли ультрафиолетовых лучей в изучении Солнца должен быть медленным и малоэффективным. С развитием механизма фотосинтеза жизнь получала гораздо более эффективный способ генерирования энергии. В атмосфере начал появляться кислород, а вместе с ним и озон, который поглощал ультрафиолетовые лучи, ответственные за первые стадии формирования живого вещества. Возник «питательный бульон» жизни, а в нем возникла «коацерватная капля», которые, достигнув определенной величины, приобретали свойство открытых систем, реагирующих со средой.
Опарин высказал предположение о возникновение жизни через образование коллоидов. Он развил идею относительно процесса коацервации – одного из наиболее мощных способов концентрации высокополимерных веществ из их растворов. Он показал, что в таких коллоидных телах могут осуществляться сложные химические реакции. Эти тела, названные позже эобионтами, согласно Опарину, способны постепенно развиваться в систему. Медленный абиогенный способ образования органических веществ сменился биологическим синтезом этих веществ – фотосинтезом. Согласно Опарину, особенность живых организмов состоит только в том, что в них сплелись в крайне сложную комбинацию многочисленных свойств и признаков, по отдельности присущих различным неживым неорганическим телам. Жизнь, по Опарину, характеризуется не какими-либо определенными свойствами, а особенной специфической комбинацией этих свойств. Будучи материалистом, Опарин резко критиковал идеалистическую точку зрения на жизнь. Идеалисты утверждали, что организмам свойственны особые начала нематериального характера, которые по существу и управляют жизненным процессом. «Этим началам давались разные названия: «жизненный порыв» (Г. Бергсон), «аристогенез» (Г. Осборн), «холизма» (Дж. Сметс), «энтелехия» (Г. Дриш), «доминанта» (Рейнке), «финализм» (Э. Рассел), «телефинализм» (Л. де Нюи) и т.д. Однако общей для всех их является их сверхматериальная, не постигаемая опытом природа». (8. С. 13).
Концепция Холдейна несколько иная. Он писал о возможной роли бактериофагов и других вирусов как связывающего звена между жизнью и преджизнью. Он усмотрел в вирусах некую «полужизнь», способную существовать только в присутствии того широкого набора молекул, который в настоящее время составляет живую клетку.
Холдейн вначале описывает, какие химические превращения происходили на планете Земля после её образования. Он предположил, что атмосфера была бедна кислородом, а ультрафиолетовые лучи не задерживались озоновым слоем. Они достигали поверхности суши и моря. При действии ультрафиолетовых лучей на смесь воды, двуокиси углерода и аммиака возникает множество различных органических соединений, в том числе сахара, некоторые соединения из которых образуют белки. Эти вещества накапливались, и первичный океан, достиг консистенции горячего жидкого бульона. Первые предшественники жизни располагали пищей в больших количествах, у них не было соперников, с которыми им нужно было вести борьбу за существование. Кислорода было немного, и первые организмы начали жизнь как анаэробные существа, существуя за счет брожения. Так зародыш цыпленка в первые 2-3 дня после оплодотворения использует очень мало кислорода, а добывает всю энергию, необходимую ему для роста, сбраживая сахар в молочную кислоту, подобно тем бактериям, которые вызывают скисание молока. Впоследствии было показано, что характерная для эмбриональных клеток способность к неограниченному росту сочетается у них с другой эмбриональной чертой – добыванием энергии за счет брожения.
Примитивные организмы использовали питательные вещества, находящиеся в море. Некоторые из них начали осуществлять в своем собственном теле синтез и тем самым обеспечивать себя пищей. Так возникли первые растения, обитавшие у поверхности океана и синтезировавшие пищу так же, как это делают их современные потомки. Холдейн высказал мысль о том, что в основе единства всего живого лежит ассиметрический характер молекул, из которых построены живые организмы.
Иную версию происхождения жизни представил Джон Бернал (1901-1971). Согласно Д. Берналу, первоначально в «первичном бульоне» или на субвитальных территориях возникли белки и нуклеиновые кислоты, в общем уже обладавшие той же внутримолекулярной организацией, что и современные полимеры живой клетки. Вся же последующая история «биопоэза» (возникновение субклеточных структур, эобиотов, протоплазменных органоидов) по существу детерминировалась этой внутримолекулярной структурой биополимеров.
Он исходил из того, что основой живых веществ являются трехмерные системы. С энергетической точки зрения только трехмерные решетки термодинамически устойчивы. Бернал полагал, что неорганическими предшественниками были углекислота, неорганические ортофосфаты, аммиак, сероводород. В результате полимеризации возникли более сложные структуры, связанные с клеточной организацией. По Берналу возникновение жизни шло по схеме: атом – молекула – мономер – полимер – организм. В отличие от Опарина Бернал считал, что конденсация органических молекул происходила не путем образования коацерватов, а путем адсорбции первых полимеризованных структур на минеральных частицах, причем это происходило не в океане, а в илистых пластах под водой, в попеременно сухих и влажных пластах земли.
Бернал считает, что для возникновения любой формы жизни необходимы: геологические условия, существующие в гидросфере при достаточной интенсивности радиации. Согласно Берналу, сложная эукариотическая клетка образовалась из существовавших ранее прокариотических клеток, которые вошли в состав эукариотической клетки в виде органелл.
В 1982 г. была открыта энзиматическая активность ряда молекул РНК. Возникло представление о «мире РНК». Было высказано предположение, что мир РНК связывает «предбиотический мир» с ДНК. В таком случае все биологические реакции катализировались РНК. Но была ли РНК в самом «начале»? Здесь возможны пока лишь общие допущения.
Во всяком случае «начало» жизни отодвинулось к 3,5 миллиардам лет назад. Недавно было высказано предположение, что первые живые организмы на Земле могли появиться внутри камней, выстилающих дно океана. Крошечные полости внутри минералов могли выступить в роли клеток. Простые соединения – ионы аммония, монооксид углерода и сульфид железа выступили в роли катализаторов синтеза органических веществ из неорганики. С этим можно согласиться, но нет убедительного объяснения происхождения ферментов. Выход из каменных ячеек произошел около 3,8 миллиардов лет назад – жизнь возникла 3,5 миллиардов лет назад. Однако нет гипотезы, которая бы объяснила все известные науке факты.