Происхождение и сущность жизни

Многовековые исследования и попытки решения этих вопро­сов породили разные концепции возникновения жизни:

· креационизм - сотворение жизни Богом;

· концепция самопроизвольного зарождения из неживого вещества;

· концепция стационарного со­стояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;

· концепция внеземного происхождения жизни в соответствии с которой жизнь занесена из Космоса.

Концепция креационизма, по существу, не явля­ется научной, поскольку она возникла в рамках религиозного миро­воззрения. Она утверждает, что жизнь такова, какова она есть, потому что такой ее сотворил Бог. Тем самым практи­чески снимается вопрос о научном решении проблемы проис­хождения и сущности жизни. Тем не менее, эта концепция продолжала и продолжает пользоваться довольно большой популярностью.

Остальные концепции появились позже, но вплоть до XIX века ни одна из них не смогла сформировать единую био­логическую картину мира и тем самым дать приемлемое объ­яснение происхождению жизни.

В XIX веке в биологии возникли концепции:

1) механистиче­ский материализм - не признавал качественной специфики живых орга­низмов и представлял жизненные процессы как результат дей­ствия химических и физических процессов. С этой точки зре­ния живые организмы выглядели как сложные машины. Но аналогия между живым существом и машиной не объясняет именно того, что она призвана объяснять: причину целесооб­разной организации живых существ. Такой подход неверен в самой своей основе. Ведь машины не возникают сами собой в природных условиях. Их целесообразность, приспособлен­ность строения к выполнению определенной работы нельзя вывести из взаимодействия закономерностей неорганического мира. Она является продуктом созидательной деятельности человека, его целенаправленных творческих усилий. В силу этого механицизм и его более поздняя разновидность - редукционизм (пытавшийся свести явления жизни к химическим и физическим процессам как своим элементарным составляю­щим) - всякий раз беспомощно останавливались перед про­блемой происхождения жизни.

2) витализм - противоположная точка зрения (от лат. vitalis - жизненный), который объяснял качественное отличие живого от неживого наличием в живых организмах особой «жизненной силы», отсутствующей в неживых предметах и не подчиняющейся физическим законам. Такое решение проблемы сущности жизни тесно связано с признанием факта творения ее Богом, разумным нематериаль­ным началом и т. д. Между обоими направлениями шла ожесточенная борьба идей о происхождении и сущности жизни.

Ученые-экспериментаторы вплоть до середины XIX века придерживались идеи самопроизвольного зарождения жизни из различных матери­альных образований, в том числе из гниющей земли, отбросов и иных объектов. Этой точки зрения придерживались такие крупные ученые и выдающиеся мыслители, как Аристотель, врач Парацельс, эмбриолог Гарвей, Коперник, Галилей, Де­карт, Гете, Шеллинг и др. Их авторитет во многом определил длительный срок существования идеи самозарождения и ее широкое распространение. Достаточно сказать, что ни опыты Ф. Реди (XVII в.), который доказал невозможность самозаро­ждения червей из гниющего мяса при отсутствии мух и провоз­гласил знаменитый принцип «все живое - от живого», ни даже опыты, показавшие, что в прокипяченных органических настоях не могут самопроизвольно зарождаться микроорганизмы, не ока­зали сильного влияния на господствующую в науке концепцию спонтанного самозарождения.

Лишь в 60-е годы XIX века в развернувшейся между Ф. А. Пуше и Л. Пастером дискуссии, потребовавшей экспери­ментальных исследований, удалось строго научно обосновать несостоятельность этой концепции. Опыты Пастера продемон­стрировали, что микроорганизмы появляются в органических растворах в силу того, что туда были ранее занесены их заро­дыши. Если же сосуд с питательной средой оградить от занесе­ния в него микробов, то не произойдет никакого самозарожде­ния. Опыты Пастера подтвердили принцип Реди и показали научную несостоятельность концепции спонтанного самоза­рождения организмов. Но и они не давали ответа на вопрос, откуда взялась жизнь.

Примерно в этот же период времени (1865 г.) на стыке кос­могонии и физики немецким ученым Г. Рихтером разрабатыва­ется гипотеза занесения живых существ на Землю из космоса - так называемая концепция панспермии. Согласно этой идее, зародыши простых организмов могли попасть в земные усло­вия вместе с метеоритами и космической пылью и положить начало эволюции живого, которая в свою очередь породила все многообразие земной жизни. Концепцию панспермии раз­деляли такие крупные ученые, как С. Аррениус, Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский, что способствовало ее широкому распро­странению среди ученых. В 1908 г. шведский химик Сванте Аррениус поддержал ги­потезу происхождения жизни из космоса. Он высказал мысль, что жизнь на Земле началась тогда, когда на нашу планету из космоса попали зародыши жизни. «Частицы жизни», носящие­ся в бескрайних просторах космоса, переносимые давлением света от звезд, оседали то здесь, то там, осеменяя ту или иную планету.

Тем не менее пока и эта гипотеза полного научного обос­нования не получила. Хотя спектр возможных условий для су­ществования живых организмов достаточно широк, все же считается, что они должны погибнуть в космосе под действием ультрафиолетовых и космических лучей. К тому же эта гипоте­за не решает проблемы происхождения жизни, а лишь выносит ее за пределы Земли - если жизнь была занесена на Землю из космоса, то где и как она возникла? Есть вариант этой гипоте­зы, утверждающий вечность жизни во Вселенной. Считается, что после Большого взрыва, в результате которого образова­лась наша Вселенная, в процессе появления вещества на самых ранних этапах эволюции Вселенной произошло разделение этого вещества на живое и неживое, и жизнь существует столь­ко же времени, сколько и весь космос.

Наряду с гипотезой панспермии в современной научной литературе сохраняется также гипотеза о случайном характере возникновения на Земле первичной живой молекулы, которая появилась лишь раз за все время существования нашей плане­ты. В силу этого обстоятельства экспериментальную проверку данной гипотезы произвести невозможно. Эта гипотеза получила широкое распространение среди генетиков в связи с от­крытием роли ДНК в явлениях наследственности. Г. Меллер в 1929 г. развивал мысль, что чисто случайно на Земле возникла единичная «живая генная молекула», обладавшая внутримоле­кулярным жизнеопределяющим строением, которое она про­несла неизменным через все развитие земной жизни. Долгое время моделью такой «живой молекулы» считали частицу нуклеопротеида вируса табачной мозаики, но сейчас стало оче­видным, что вирусы нельзя рассматривать как промежуточный этап на пути возникновения жизни: сперва должна была воз­никнуть жизнь, а затем вирус. Тем не менее, идея случайного возникновения ДНК до сих пор широко распространена в научной литературе, хотя веро­ятность такого события очень мала.

Таким образом, на протяжении веков менялись взгляды на эту проблему, но наука все еще далека от ее решения. И сегодня продолжаются споры о сущно­сти жизни: является ли она просто чрезвычайно упорядочен­ным состоянием обычных атомов и молекул, из которых со­стоит «живое вещество», или существуют пока не открытые элементарные «частицы жизни», переводящие обычные хими­ческие и физические вещества в живое состояние. Веских дока­зательств и аргументов в пользу справедливости той или иной точки зрения нет.

Очевидно, более целесообразно рассматривать жизнь как особую форму движения материи, закономерно возникшую на определенном этане ее развития. Разумеется, возникновение жизни содержало элемент случайности, но оно было не абсо­лютно случайным, а в основе своей закономерным, необходи­мым. Видимо, появление жизни произошло, когда химическая эволюция после одной из точек бифуркации привела к появлению живого организма и началу биологической эволюции.

Поэтому сегодня наиболее перспективным направлением для естествознания является исследование возникновения жиз­ни на нашей планете из неживой материи в ходе процессов са­моорганизации.

Гипотеза происхождения жизни А. И. Опарина (1924 г.) явилась первой научной концепцией, доказавшей на основе экспериментов возможность естественного возникновения простейших организмов из неорганических веществ. Ученый выступил с утверждением, что монополия биотического синтеза органических веществ характерна лишь для современного периода существования нашей планеты.

В начале своего существования, когда Земля была безжизненной, на ней осуществлялись абиотические синтезы углеродных соединений и их последующая предбиологическая эволюция. Затем шло постепенное усложнение этих соединений, формирование из них индивидуальных обособленных систем, превращение их в протобионты, а затем в первичные живые вещества.

А. И. Опарин стал рассматривать появление жизни как естественный процесс, который состоял из первоначальной химической эволюции, протекавшей на ранних этапах развития планеты и перешедший постепенно на качественно новый уровень - биохимическую эволюцию.

Этот процесс с самого начала был неразрывно связан с геологической эволюцией Земли. Опарин предположил и экспериментально доказал, что под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетового излучения в газовых смесях, содержащих пары воды, аммиака, цианистого водорода, метана и др., появляются аминокислоты, нуклеотиды, полипептиды, другие вещества, свойственные живым организмам.

Согласно гипотезе Опарина, возникновение и развитие химической эволюции произошло в ходе образования и накопления в первичных водоемах исходных органических молекул, которые скапливались в сравнительно неглубоких местах, прогреваемых солнцем, богатым ультрафиолетовым излучением при отсутствии озонового слоя атмосферы.

Ультрафиолетовые лучи обеспечивали энергией протекание химических реак­ции между органическими соединениями. Таким образом, в некоторых зонах первичных водоемов протекали случайные химические реакции. Большая их часть быстро завершилась из-за недостатка исходного сырья. Но в хаосе химических ре­акций произвольно возникали и закреплялись реакции цикли­ческих типов, обладавшие способностью к самоподдержанию. Результатом этих реакций и стали коацерваты - пространственно обособившиеся целостные системы. Существенной их особенностью была способность поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечивало возмож­ность первичного обмена веществ со средой. Естественный отбор способствовал сохранению наиболее устойчивых коацерватных систем. Система, описанная Опариным, представляла собой открытую химическую микроструктуру и уже была наделена способностью к обмену веществ, хотя еще не имела системы для передачи ге­нетической информации на основе функционирования нуклеиновых кислот.

В ходе естественного отбора возникли важнейшие свойства жизни, отличающие ее от предыдущего этапа развития. Возникшие целостные многомолекулярные системы, обособленные от окружающей среды определенной гра­ницей раздела, сохраняли с ней взаимодействие по типу откры­тых систем. Только такие системы, черпающие из внешней среды вещества и энергию, могли противостоять нарастанию энтропии и даже способствовать ее уменьшению в процессе своею роста и развития, что является характерным признаком всех живых су­ществ.

Естественный отбор сохранял те целостные системы, в ко­торых более совершенной была функция обмена веществ, способствовавшая быст­рому росту системы и ее динамической устойчивости в данных условиях существования.

Выживающие в ходе естественного отбора системы имели специфическое строение белков и нуклеотидов, которые и обусловили появление наследственности. В органической химии известны примеры реакций такого типа. Их отбор и выживание следует рассматривать как возможный качественный скачок, создавший предпосылки для перехода от химической эволюции к биологической. Вместе с отбором и совершенствованием циклических комплексов происходил от­бор и совершенствование участвующих в этих реакциях орга­нических молекул.

Популярность концепции Опарина в научном мире очень велика. Его ученики и последователи и сегодня продолжают исследования в этом направлении. Но у этой концепции есть как сильные, так и слабые стороны.

Сильной стороной концепции является достаточно точное соответствие ее теории химической эволюции, согласно кото­рой в процессе добиологической (абиогенной) эволюции мате­рии зарождение жизни - закономерный результат. Убедитель­ным аргументом в пользу этой концепции является также воз­можность экспериментальной проверки ее основных положе­ний. Это касается не только лабораторного воспроизведения предполагаемых физико-химических условий первобытной Земли, но и коацерватов, которые имитируют доклеточный предок жизни и его функциональные способности.

Слабой стороной концепции А.И. Опарина является допу­щение возможности самовоспроизведения коацерватных структур в отсутствие систем с функциями гене­тического кода. Существование этих систем объяснялось нали­чием у них свойств, способствующих вовлечению в них ферментов, находящихся в готовом виде в окружающей среде. А это значит, что в рамках концепции Опарина не удается решить главную проблему - о движущих силах саморазвития химических систем и перехода от химиче­ской эволюции к биологической, раскрыть причину таинст­венного скачка от неживой материи к живой. Возможно, эта проблема будет решена в концепции открытых каталитических систем Руденко.

Сегодня в решении вопро­са о происхождении жизни, самой сложной является проблема структурных и функциональных особенностей протобиологической системы, то есть доклеточного предка. Труд­ность решения этого вопроса заключается в том, что для саморепродукции нуклеиновых кислот (основы генетического кода), необходимы ферментные белки, а для синтеза белков - нуклеиновые кислоты. Поэтому неясно: что было первичным - белки или нуклеиновые кисло­ты? Если признать, что оба эти класса биополимеров возникли не одновременно, а последовательно, то на каком этапе и как произошло их объединение в единую систему, спо­собную к функциям передачи генетической информации и ре­гуляции биосинтеза белков?

Рассматривая ответы на вопрос о первичности белков или нуклеиновых кислот, все существующие гипотезы и концеп­ции можно разделить на две большие группы голобиоза и генобиоза.

Концепция Опарина относится к груп­пе голобиоза - методологического подхода, основанного на идее первичности структур типа клеточной, наделенной спо­собностью к элементарному обмену веществ при участии фер­ментного механизма. Появление нуклеиновых кислот в ней считается завершением эволюции, итогом конкуренции протобионтов.

Сторонники генобиоза исходят из убеждения в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетическо­го кода. Эту группу гипотез и концепций можно также назвать информационной. Примером этой точки зрения может слу­жить концепция Дж. Холдейна, согласно которой первичной была не структура, способная к обмену веществ с окружающей средой, а макромолекулярная система, подобная гену и спо­собная к саморепродукции, а потому названная им «голым ге­ном».

Вплоть до 1980-х годов имело место четко выраженное противостояние гипотез голобиоза и генобиоза. Оно обрело форму дискуссии при обсуждении вопроса, что старше - голый ген или белковый протобионт, или в иной терминологии - ге­нетическая репродукция или метаболизм. В новых категориях эта дискуссия стала известной в 80-е годы как противостояние двух концепции, каждая по-своему трактующих характер доклеточного предка - информационной (генетической) и субстратной (обменно-метаболической).

Очень привлекательной гипотезой, принадлежащей к на­правлению голобиоза, была концепция английского биохими­ка П. Деккера. Согласно ей, структурной основой предка - биоида - были жизнеподобные неравновесные диссипативные системы, то есть открытые микросистемы с мощным фермен­тативным аппаратом. Это означает, что он был подвержен дарвиновской эволюции благодаря переходам (мутациям) из одной стадии (вида) к другой, более устойчивой, приобретаю­щей все новые биты (единицы измерения) информации.

Моделей, построенных на идеях гипотезы голобиоза, довольно много. Объединяют их два главных момента. Первый - при­знание первичности белковой субстанции, способной к автокатализу, близкому к ферментативному. И второй - отсутствие даже упоминания о наличии в данных белковых структурах мо­лекулярных систем с функциями генетического кода. Появле­ние генетического механизма матричного типа на основе нуклеиновых кислот считается вторичным событи­ем в эволюции этих структур.

Эта гипотеза не имела всеобщего при­знания. Некоторые исследователи, сознавая слабость ее в вопросе генетического контроля над реакциями обмена веществ доклеточного предка, стали сторонниками промежуточного варианта между голобиозом и генобиозом. Их объединяет общая идея: белковые и нуклеиновые молекулы появились одновременно, объединились в единую систему в пределах структуры доклеточного предка и подверглись коэволюции, то есть одновременной и взаимосвязанной эволюции.

Однако и этот компромиссный вариант не получил всеоб­щего признания. Главный аргумент против него - белковые и нуклеиновые молекулы структурно и функционально различны, они не могли появиться одновременно в ходе химической эволюции, в связи с чем нереально их сосуще­ствование в протобиологической системе.

Эти соображения усилили позиции противоположной гипотезы - генобиоза, утверждающей первичность молекулярной системы с функциями генетического кода.

Позиции гипотезы генобиоза стали заметно укрепляться в 1970-е годы, а к 1980-м годам, она оказалась доминирующей в представлениях о доклеточном предке. Кроме того, с идеей генобиоза оказалось также тесно свя­зано самостоятельное сегодня направление в естествознании, занимающееся изучением еще одного фундаментального свой­ства живой материи - хиральности (от греческого - рука).

Явление хиральности, т. е. наличие оптических изомеров, имеющих зеркальное строение молекул, у органических веществ, имеющих биологиче­ское происхождение, было обнаружено Л. Пастером в 40-50-е годыXIX века в ходе иссле­дований строения кристаллов солей виноградной кислоты. Пастер обнару­жил способность отклонять поляризованный луч, то есть оп­тическую активность, не только у самих кристаллов, но и у их водных растворов. У растворов этих веществ небиологиче­ского происхождения это свойство отсутствует, т. к. их оба оптических изомера находятся в равном количестве. Кроме виноградной кислоты, оптической активностью обладают многие природные органические соединения. Хиральность может быть двух типов - левой (L - конфигурация), отклоняющей луч све­та влево, что характерно для белковых молекул; и правой (D -конфигурация), отклоняющей луч света вправо, что характер­но для молекул нуклеиновых кислот ДНК и РНК. В составе живых организмов встречаются только D -моносахариды и L -аминокислоты.

Сегодня считается дока­занным, что молекулярная асимметрия, а согласно современной терминологии, молекуляр­ная хиральность, присуща только живой материи и является ее неотъемлемым свойством. В связи с этим возникает проблема - как возникло это явление? Не следует ли искать в его происхождении истоки самой жизни?

На этот вопрос наука дала достаточно определенный ответ. Превращение молекулярно-симметричных веществ неживой природы в молекулярно-диссимметричные неразрывно связано с происхождени­ем живой материи. По мнению Пастера, это могло происходить постепенно, по мере воздействия на неживую косную материю особых диссимметрических сил, вызывающих оптическую изомерию молекул. Согласно Пастеру, силы эти носили космический характер. Такими силами могли быть мощные электрические разряды, геомагнитные колебания, вращение Земли вокруг Солнца, поле тяготения Луны и т. д. Правда, лабораторные экспери­менты по моделированию таких условий успе­хом не увенчались. Тем не менее Пастер непоколебимо верил в свою правоту.

Историческая за­слуга Пастера перед наукой заключается также в том, что он рассматривал проблему зарождения живого из неживого на молекулярном уровне.

Эти идеи получили сегодня широкое развитие в естество­знании, причем не столько в биологии, сколько в химии и фи­зике. Сегодня считается, что если молекулярная хиральность - изначальный и фундаментальный признак живой материи, то она зародилась так же рано, как и способность к генетическому самовоспроизведению. Иными словами, одно­временно с генетическим возник и стереохимический код. Его функцией стало кодирование построения хирально чистых мономеров, необходимых для взаимодействия молекул субстрата и ферментов при биохими­ческих реакциях.

Но что представляют собой эти мономеры, то есть ка­ковы по своей химической природе те хирально чистые моле­кулярные «блоки», составившие основу для зарожде­ния живого, еще предстоит выяснить.

Общее признание в рамках гипотезы генобиоза получила идея, согласно которой такими блоками были макромолекулы ДНК или РНК. Но оставалось неясным, какая из этих информационных молекул появилась первой и смогла сыграть роль матрицы для первич­ной комплементарной полимеризации?

Этот неизбежно возникающий вопрос сразу же вступил в противоречие с центральным положением молекулярной гене­тики: генетическая информация идет в направлении от ДНК к РНК и белку. Кроме того, стоял вопрос, как могла функцио­нировать протобиотическая система в от­сутствие ферментов, то есть белков, если допустить, что появ­ление последних было вторичным?

Ответ на эти вопросы был получен только к концу 1980-х го­дов. Он гласил, что первичной была молекула неДНК, а РНК. Признание этого факта связано с наличием у РНК уни­кальных свойств. Оказалось, что она наделена такой же гене­тической памятью, как и ДНК. Далее была установлена удивительная универсальность РНК: нет организмов, в кото­рых отсутствовала бы РНК, но есть множество вирусов, геном которых составляет РНК, а не ДНК. Кроме того, оказалось, что возможен пере­нос генетической информации от РНК к ДНК при участии фермента, открытого в начале 1970-х годов.

В начале 1980-х годов была установлена способностьРНК к самовоспроизведению (саморепродукции) в отсутствие белковых ферментов, то есть открыта ее автокаталитическая функция. Это решало ранее, казалось, неразрешимую проблему объединения двух функций - каталитической (ранее считавшейся присущей только белкам) и информационно-генетической, необходимых для саморепро­дукции макромолекулярной системы.

В результате сформировалось четкое представление, что древняя РНК совмещала в себе черты фенотипа и генотипа, то есть отвечала требованиям дарвиновской системы, будучи под­верженной как генетическим преобразованиям, так и естествен­ному отбору. Сегодня уже очевидно, что процесс эволюции шел от РНК к белку, а затем к образованию молекулы ДНК.

Очевидно, что возникновение хиральности, а также первичных молекул РНК не могло произойти в ходе плавного эволюционного развития, Вероятно, имел место скачок со всеми характерными чертами самоорганизации.

Поиск по сайту: