Тема №38: «Естественнонаучные модели происхождения жизни

Вначале в науке вообще не существовало проблемы возникновения жизни. Допускалась возможность постоянного зарождения живого из неживого. Великий Аристотель (IV в. до н.э.) не сомневался в самозарождении лягушек, мышей. В III в. н. э. философ Плотин (ярко выраженный идеалист) говорил о са­мозарождении живых существ из земли в процессе гниения. В XVII в. голландский ученый Я.Б.Ван-Гельмонт составлял рецепты получения мышей из пшеницы и загрязненного потом белья.                 В.Гарвей, Р.Декарт, Г.Галилей, Ж.Б.Ламарк, Г.Ге­гель тоже придерживались мысли о постоянно осуществляю­щемся самопроизвольном зарождении живого из неживого.

Но с XVII в. стали накапливаться данные против такого понимания. В 1668 г. тосканский врач Франческо Реди дока­зал, что белые черви в гниющем мясе есть не что иное, как личинки мух. Через 100 лет итальянец                               Л.Спаллацани и рус­ский М.Тереховский поставили под сомнение представления о самозарождении микроорганизмов. Окончательно же ученые отказались от подобных представлений лишь во второй полови­не XIX в. В 1862 г. Луи Пастер убедительными опытами дока­зал невозможность самопроизвольного зарождения простейших организмов в современных условиях и утвердил принцип «все живое из живого».

После этого одни ученые поставили вопрос об историчес­ком возникновении жизни в первобытных условиях Земли, дру­гие же склонились к тому, что жизнь на нашей планете никог­да не зарождалась, а была занесена на нее из Космоса, где она существует вечно. Однако такой подход просто снимает про­блему возникновения жизни. Существует также точка зрения, что жизнь возникла чисто случайно и совершенно внезапно. Американский генетик Г.Меллер (лауреат Нобелевской пре­мии) допускает, что живая молекула, способная размножать­ся, могла возникнуть вдруг, случайно в результате взаимодей­ствия простейших веществ. Он считает, что элементарная еди­ница наследственности — ген — является и основой жизни. И жизнь в форме гена, по его мнению, возникла путем слу­чайного сочетания атомных группировок и молекул, существо­вавших в водах первичного океана. Но подсчеты показывают невероятность такого события. Трудно рассчитывать получить одну молекулу РНК вируса табачной мозаики за 10⁹ лет даже в том случае, если бы весь Космос представлял собой реагирующую смесь нуклеотидов, входящих в РНК. Большинство уче­ных отказалось от такого предположения.

Ф.Энгельс одним из первых высказал мысль, что жизнь возникла не внезапно, а сформировалась в ходе длительной эволюции материи. Эволюционная идея положена в основу гипотезы сложного, многоступенчатого пути развития материи, предшествовавшего зарождению жизни на Земле, выдвинутой А.И. Опариным в 1924 г. и английским исследователем Дж. Холдейном в 1929 г.

По проблеме происхождения жизни широко известна гипотеза                 А.И.Опарина о коацерватной стадии в процессе возникновения жизни.

Коацерваты — это комплексы коллоидных частиц. Они мо­гут возникать, например, из комплексных солей кобальта, кремнекислого натрия и нашатырного спирта, в растворе ацетилцеллюлозы, в хлороформе или бензоле, при смешивании растворов различных белков. Такой раствор, как правило, раз­деляется на два слоя — слой, богатый коллоидными частица­ми, и жидкость, почти свободную от них. В некоторых случа­ях коацерваты образуются в виде отдельных капель, видимых под микроскопом. Для их образования необходимо присутствие в растворе нескольких (хотя бы двух) разноименно заряженных высокомолекулярных веществ. Поскольку в водах первичного океана это условие было соблюдено, образование в нем коа-церватов могло быть реальным.

А.И.Опарин предположил, что в массе коацерватных ка­пель должен был идти отбор наиболее устойчивых в существо­вавших условиях. Многие миллионы лет шел процесс есте­ственного отбора коацерватных капель. Сохранялась лишь нич­тожная их часть. Способность к избирательной адсорбции по­степенно преобразовалась в устойчивый обмен веществ. Вмес­те с этим в процессе отбора оставались лишь те капли, которые при распаде на дочерние сохраняли особенности своей струк­туры, т.е. приобретали свойство самовоспроизведения — важ­нейшего признака жизни. По достижении этой стадии коацерватная капля превратилась в простейший живой организм. Коацерватные капли были местом встречи и взаимодействия до этого независимо возникавших простых белков, нуклеиновых кис­лот, полисахаридов и липидов.

Отдельная молекула, даже очень сложная, не может быть живой. Ученые считают, что первоначально на молекулярном уровне могли возникать лишь белково- и нуклеино-подобные полимеры, лишенные какой-либо биологической целесообраз­ности своего строения. Только при объединении этих полиме­ров в многомолекулярные фазовообособленные системы могло возникнуть взаимосогласование их структур и биологическое функционирование новых целостных систем. Это значит, что не разрозненные части определяют собой организацию целого, а целое, продолжая эволюционировать, обусловливает целесо­образность строения частей. Где-то на той же стадии возникает и естественный отбор, способствующий сохранению наиболее совершенных и целесообразных структур. Здесь много неясно­го, но в трудах ведущих синергетиков И.Пригожина и М.Эйгена и многих других ученых дается все более обосновываемая картина действия отбора на высокомолекулярном и надмолекулярном уровнях.

Гипотеза А.И.Опарина способствовала конкретному изуче­нию происхождения простейших форм жизни. Она положила начало физико-химическому моделированию процессов обра­зования молекул аминокислот, нуклеиновых оснований, угле­водородов в условиях предполагаемой первичной атмосферы Земли. После работ немецкого исследователя С.Мюллера и других стало известно, что под воздействием физических излу­чений эти биоорганические молекулы могут образовываться в самых различных смесях, содержащих водород, азот, аммиак, воду, углекислый газ, метан, синильную кислоту и т.п.

Имеется ли этот исходный материал в реальном космичес­ком пространстве? Сейчас установлено наличие в межзвездной среде облаков пыли и газа, в которых обнаружены многие неорганические молекулы Н₂О, NH₃, SO, SiO, H₂S и т.д. Осо­бенно показательно присутствие в космосе таких органических соединений, как формальдегид, цианацетилен, ацетальдегид, формамид, метилформиат. Сенсацией явилось открытие кос­мических облаков этилового спирта с температурой 200 К и с концентрацией молекул 10¹²-10¹³ в 1 см³. Подобные соедине­ния близки к биоорганическим молекулам или легко могут пре­вратиться в них. Таким образом, достоверно установлено, что в космосе имеются необходимые компоненты для синтеза бо­лее сложных соединений, важных для формирования белков, углеводов, нуклеиновых полимеров и липидов.

Следующие, более сложные звенья эволюционной цепочки обнаружены при изучении вещественного состава метеоритов и лунных пород, доставленных космическим аппаратом. В них обнаружены аминокислоты, алифатические и ароматические углеводороды, предшественники нуклеиновых кислот — аденин и гуанин, порфирин — простейший химический предше­ственник хлорофилла. И на земле, в древних отложениях с возрастом порядка сотен миллионов и нескольких миллиардов лет, обнаружено множество органических соединений, кото­рые подсказывают возможные пути возникновения жизни (ами­нокислоты, углеводороды, порфирины и др.).

Обращает на себя внимание следующий факт. В нашей га­лактике наиболее распространены водород, углерод, азот, кис­лород, составляющие основу живого. В земной же коре, в лунных породах и метеоритах их очень мало, а преобладают здесь кремний, алюминий, железо. Для первой, космической группы элементов характерна молекулярная форма существования и склонность к флюидному, текучему состоянию (жидкость, газ). Для планетарной группы элементов типично твердое агрегат­ное состояние в виде бесконечных кристаллических структур, в которых невозможно выделить отдельные молекулы.

Мертвые, застывшие, окаменевшие пространства Луны, Меркурия, Марса — результат утраты ими подвижных флюид­ных элементов, осуществляющих транспортировку вещества и энергии. На Земле до сих пор продолжаются более активные химические процессы. И это благодаря остаткам флюидной группы элементов: наличию значительного количества воды, метана, аммиака, других газов и жидкостей в атмосфере, гидросфере, в твердой коре и глубинных породах, откуда лег­кие соединения выделяются в форме вулканических газов или в виде общего газового обмена планеты и окружающей части космоса. Химическая эволюция на поверхности планет реали­зуется тогда, когда энергия звездного излучения может превра­титься в энергию возбуждения молекулярных структур. Поэто­му решающим условием зарождения жизни на Земле явился фотосинтез.

Возраст нашей Земли более 4 млрд лет, а следы остатков древних организмов насчитывают 3,2—3,8 млрд лет. Если сей­час в атмосфере Земли 78% азота и 21% кислорода, то более 3 млрд лет назад в атмосфере Земли свободного кислорода прак­тически не было. Тогда температура поверхности Земли была намного выше современной, а атмосфера состояла из паров воды и примеси вулканических газов (азота, углекислого газа, аммиака, метана и др.). Единственным источником ничтож­ных количеств кислорода были реакции фотодиссоциации мо­лекул воды в верхних частях атмосферы под воздействием сол­нечной радиации. Около 3 млрд. лет назад на Земле пошли энер­гичные процессы окисления за счет кислорода, источником которого явились фотосинтезирующие живые организмы. Ак­тивность биосферы в конечном счете и определила современ­ный состав атмосферы Земли. Первые достоверные следы жизни обнаружены в отложениях, возраст которых около 3 млрд. лет. К ним относятся следы, оставшиеся от сине-зеленых водорос­лей в известняках Южной Африки, остатки организмов в пес­чаниках Канады. Но им предшествовали более древние и при­митивные формы жизни, а еще             ранее — стадии предбиологической и химической эволюции.

Существует новая гипотеза об особой роли малых молекул в первичном зарождении белково-нуклеиновых систем. На очередном совещании по философским вопросам совре­менной медицины в Президиуме Российской академии меди T.A.Кировская сообщили следующее. «В последние десятиле­тия накапливаются данные о том, что не белок и не ДНК/РНК, вероятно, положили начало доклеточным предшественникам современной жизни — гипотетическим пробионтам. Жизнь, что представляется все более правдоподобным в свете совре­менных данных, эволюционировала на базе динамичной игры малых молекул (органических и неорганических). Это были ионы металлов (Fe²⁺, Zn²⁺, Аl³⁺, Ni⁺, Сu²⁺, Со²⁺, Mg²⁺, Са²⁺), соединения серы (дисульфиды, полисульфиды), фосфора (ор-тофосфат, нитрофосфат, полифосфаты), азота (особенно NO и N^O), а также небольшие органические молекулы типа ами­нов (этаноламин, холин, гисталины и др.), аминокислот (осо­бенно глицин, гдуатамат, аспартат), углеводородов (например, этилен). Имеется предположение, что даже функция на­следственной передачи признаков, ныне выполняемая нуклеи­новыми кислотами, первоначально зависела от «неоргани­ческих генов» — матриц для синтеза молекул (вначале даже небелковой природы), построенных на основе алюмосилика­тов глины. Первые биополимеры могли быть результатом авто­каталитических реакций малых молекул. Имеется общий сце­нарий «возникновения жизни в облаках», где мельчайшие дож­девые капли, озаренные ультрафиолетом первобытного Солн­ца и поглощающие частицы соединений металлов и неметал­лов в ходе пыльных бурь, обеспечивали достаточную суммар­ную поверхность для фотоиндуцированного гетерогенного ка­тализа и последующего синтеза более сложных, органических молекул, поступавших с дождевыми потоками в океан, где жизнь «дозревала» уже в соответствии с опаринским сценари­ем «первичного бульона» и «коацерватных капель».

Изложенный подход представляется весьма интересным раз­витием гипотезы А.И.Опарина. Главное теперь — в оконча­тельном экспериментальном подтверждении (или отрицании) и старой, и новой гипотез.

Список литературы

1. Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. – М.: Высш. шк., 1998.-383с.

2. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. – М.: ИМП, 1998.-192с.

3. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. – М.: ЮНИТИ, 1998.-208с.

4. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания: Учеб пособие для вузов. – М.: ВЛАДОС, 1998.-232с.