ГИПОТЕЗЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ

Введение

1. Креационизм

2. Концепция самопроизвольного (спонтанного) зарождения жизни

3. Концепция стационарного состояния

4. Концепция панспермии

5. Биохимическая эволюция А.И. Опарина

Введение

С первых шагов сознательной жизни человечество стремилось разрешить проблемы мироздания, среди которых наиболее сложным и интересным является вопрос о происхождении жизни.

Жизнь – одна из высших форм бытия. Однако при всей очевидности феномена жизни познание её сущности – дело чрезвычайно сложное. До сих пор отсутствует определение жизни и закономерностей ее развития, которое удовлетворяло бы научным требованиям. Естественнонаучное познание жизни осуществляется по многим направлениям. Практически в него вовлечены все науки, основной из которых является биология.

Жизнь - это естественный природный процесс, обладающий специфи-ческими свойствами, которые делают ее принципиально отличной от всех процессов и явлений материального мира.

Жизнь на Земле представлена громадным разнообразием форм, которым присуща возрастающая сложность строения и функций. В ходе индивидуального развития и изменения (онтогенеза) организмы приспосабливаются к внешним условиям, а смена поколений приобретает эволюционно-исторический характер (филогенез). Организмы выработали способность к относительной независимости от внешней среды благодаря процессам саморегуляции.

Одним из главных свойств живого организма является обмен веществ. Всем живым организмам свойственны целостность и самовоспроизведение. Наряду с ними существенными признаками жизни являются единство химического строения, раздражимость, рост и развитие, изменчивость, наследственность, ритмичность, дискретность. Всякий живой организм как бы стремится к главному – воспроизведению себе подобных.

Сущность жизни есть функция определенной материальной организации. Долгое время в науке применялось понятие жизни, предложенное Ф. Энгельсом: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является обмен веществ».

Важным результатом естественнонаучного познания является вывод о единстве жизни на Земле. За последние годы интерес к проблеме происхождения жизни и возможности ее существования в других областях Вселенной значительно возрос.

Это обусловлено: во-первых, значительными успехами в лабораторном моделировании некоторых этапов эволюции материи, приведшей к зарождению жизни, и, во-вторых, стремительным развитием космических исследований, делающих все более реальным непосредственный поиск каких-либо форм жизни на планетах Солнечной системы и за ее пределами.

1. Креационизм(от лат. creatio - творение) возник в рамках религиозного мировоззрения и не является научной концепцией. Согласно библии Бог создал мир из ничего. Всему сущему предшествовала безначальная вечность, в которой творил один Господь. Именно им было положено новое начало - бытие. В соответствии с Библией, начало жизни на Земле связано с пятым днём творения, когда Бог сотворил рыб, птиц и др. воздушные творения. На шестой день на Земле появляются различные животные, обитающие на суше. А на седьмой день Бог сотворил человека из глины и вдохнул в него жизнь. « И создал Господь Бог человека из праха земного и вдунул в лицо его дыхание жизни; и стал человек душою живою». И, наконец, последним актом было сотворение женщины из ребра Адама.

В 1650 г. ирландский архиепископ Ашер вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н.э. и закончил свой труд 23 октября, в 9 часов утра, создав человека. Ашер получил эту дату, сложив возрасты всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии от Адама до Христа. При этом, согласно археологическим находкам, получается, что Адам жил в то время, когда на Ближнем Востоке существовала хорошо развитая городская цивилизация.

Креационизм утверждает, что жизнь такова как она есть, потому что такой ее сотворил Бог. Рассматривая вопрос о происхождении жизни, креационизм отвечает на вопрос «почему?», а не на вопрос «каким образом?». Ученый в своих исследованиях использует для установления истины наблюдение, эксперимент, анализ и др. методы познания. Богословие постигает истину через божественное откровение и веру. Вера признает вещи, которые не могут быть научно доказаны, но для верующего теологическая истина абсолютна. Процесс божественного сотворения мира мыслится как однократный и потому недоступный для наблюдения. Поэтому наука не в состоянии ни доказать, ни опровергнуть эту концепцию.

2. Гипотеза самопроизвольного (спонтанного) зарождения жизнибылараспространена в Древнем Китае, Вавилоне, Египте в качестве альтернативы креационизму. Отвергая идею творения мира, некоторые ученые вплоть до середины XIX века считали, что жизнь может возникнуть из различных предметов неживой природы. Еще Аристотель (384-322 гг. до н.э.) утверждал, что определенные частицы вещества содержат некое «активное начало», способное при подходящих условиях создать живой организм. Он справедливо считал, что это «начало» содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном свете, тине и гниющем мясе.

Подобной точки зрения придерживались такие крупные ученые как Парацельс, Коперник, Галилей и др. их авторитет способствовал широкому распространению и длительному существованию идеи самозарождения.

С распространением христианства гипотеза спонтанного зарождения жизни оказалась не в чести: ее признавали лишь те, кто верил в колдовство, но она продолжала существовать еще несколько веков.

Ученый ван Гельмонт в начале XVII в. описал эксперимент, в котором он за 3 недели якобы создал мышей, поместив грязную рубашку и горсть пшеницы в темный шкаф. Активным началом он считал человеческий пот.

В 1688 г. итальянский биолог Франческо Реди экспериментально доказывает невозможность самозарождения червей (личинок мух) в гниющем мясе при отсутствии мух и провозглашает знаменитый принцип: «все живое - от живого» (концепция биогенеза). В своих опытах Реди раскладывал сырое мясо и рыбу по нескольким сосудам, часть из которых он оставлял открытыми, а часть – плотно закрывал. В запечатанных сосудах черви не «зарождались».

Однако первые микроскопические исследования Антони ван Левенгука усилили позиции гипотезы самозарождения применительно к микроорганизмам. «В моем рту, - писал Левенгук, - микробов больше, чем людей в соединенном королевстве».

В середине XVIII века шотландский священник Нидхэм попытался экспериментально доказать самозарождение микроорганизмов из неживой материи. Он брал мясной бульон или отвары растительных веществ, помещал их в плотно закрывающиеся сосуды и короткое время кипятил. При этом, по мнению Нидхэма, должны были погибнуть все микроорганизмы, новые же не могли попасть извне, так как сосуды были плотно закрыты. Однако спустя некоторое время в жидкостях появлялись бактерии. Отсюда ученый делал вывод о самозарождении микроорганизмов.

В 1765 г. итальянец Ладзаро Спалланцани повторяя опыты Нидхэма, убедился, что при более длительном кипячении, самозарождения жизни в запечатанных сосудах не происходит. Из этого он сделал вывод, что высокая температура уничтожила все формы живых существ, а без них ничто живое возникнуть уже не может.

Между оппонентами разгорелся ожесточенный спор. Спалланцани доказывал, что жидкости в опытах Нидхэма не были достаточно прогреты и там оставались зародыши живых существ (цисты). На это Нидхэм возражал, что, наоборот, Спалланцани кипятил их слишком долго и тем самым разрушил «зарождающую силу» органических настоев, которая очень капризна и непостоянна.

Каждый из спорящих остался при своем мнении, а вопрос о возможности самозарождения жизни остался неразрешенным еще в течение целого столетия. И лишь в 1860 г. французский микробиолог Луи Пастер смог разрешить этот спор.

Он показал, что бактерии вездесущи и что неживые материалы могут легко наполняться ими, если их не простерилизовать должным образом. Таинственное появление микроорганизмов в опытах предыдущих исследователей Пастер объяснял или неполным обеспложиванием среды, или недостаточной защитой жидкостей от проникновения микроорганизмов.

В основе экспериментов Пастера лежали методы Спалланцани. Для обеспложивания притекающего в колбу воздуха Пастер применял разнообразные приемы: прокаливал воздух в стеклянных и металлических трубках, защищал горло колбы ватной пробкой, в которой задерживались все микробы, или, пропускал воздух через тонкую S-образно изогнутую стеклянную трубку. В последнем случае все зародыши механически задерживались на влажных поверхностях изгибов трубки. Во всех вариантах появление жизни в жидкости не наблюдалось.

Возможно, продолжительное кипячение химически изменило среду и сделало ее непригодной для поддержания жизни? Пастер легко опроверг и это возражение. Стоило поместить в покипяченную жидкость ватную пробку, через которую в колбу пропускался воздух и которая, следовательно, содержала микроорганизмы, - жидкость быстро загнивала.

Опыты Л. Пастера блестяще подтвердили справедливость теории биогенеза Ф. Реди и окончательно опровергли теорию спонтанного зарождения. Но и они не давали ответа на вопрос: как появилась жизнь? Ведь если каждый организм появился от другого организма, то откуда взялся самый первый? Только гипотеза стационарного состояния не требует ответа на этот вопрос.

3. Концепция стационарного состоянияиз-за своей оригинальности и умозрительности всегда имела небольшое количество сторонников. Согласно ей,Земля существовала вечно и всегда была способна поддерживать жизнь.

Оценки возраста Земли сильно варьировали — от 6000 лет по расчетам архиепископа Ашера до 5 млрд.лет по современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада. Более совершенные методы датирования дают все более высокие оценки возраста Земли, что позволяет сторонникам гипотезы стационарного состояния полагать, что Земля существовала всегда. Виды также никогда не возникали, а существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности — изменение численности, либо вымирание.

Сторонники этой гипотезы не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб - латимерию. По палеонтологическим данным кистеперые вымерли в конце мелового периода 70 млн. лет назад. Однако, в районе Мадагаскара и сейчас живут представители кистеперых.

Внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте сторонники данной гипотезы объясняют увеличением численности его популяции или перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков.

4. Концепция панспермии

Эта гипотеза не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а выдвигает идею о ее внеземном происхождении. Поэтому ее нельзя считать гипотезой возникновения жизни; она просто переносит проблему в другое место во Вселенной. Согласно ей, жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время, в разных частях Вселенной. Для обоснования гипотезы панспермии используются многократные наблюдения НЛО, наскальные изображения предметов, похожих на ракеты и «космонавтов», а также сообщения о «встречах» с инопланетянами.

Концепцию панспермии разработал в 1865 г. немецкий ученый Г.Э. Рихтер. Его точку зрения разделяли шведский химик С. Аррениус, немецкий физик Г.Л. Гельмгольц, советский академик В.И. Вернадский и другие крупные ученые.

Английский биолог Френсис Крик, расшифровавший код ДНК считает, что «…человек (Homo sapiens) служит только орудием, упаковкой для распространяющегося Истинного Разума, скрывающегося в разумной крупинке рибонуклеиновой кислоты. Это ДНК творит цивилизацию!» Согласно его гипотезе внеземные существа, сеют семена жизни в различных частях Вселенной, чтобы, в конечном счете, господствовать над ней. Подтверждением тому служит наличие в белке молибдена в количестве непропорционально большем, чем имеется его на Земле, что может свидетельствовать о космическом генезисе ДНК и жизни на нашей планете.

Концепция панспермии актуальна и в наши дни. Ее суть заключается в том, что зародыши простых организмов могли попасть на Землю вместе с метеоритами и космической пылью и положить начало эволюции живого на нашей планете. При изучении метеоритного и кометного вещества были обнаружены многие «предшественники живого» - синильная кислота (НСN), аммиак (NH₃), углекислый газ (СО₂) и органические соединения, которые возможно явились «семенами» жизни, занесенными на Землю.

Согласно гипотезеанглийских астрономов Ф. Хойла и Ч. Викрамасингха,наша планета ежегодно получает более 10¹⁸ частиц кометного материала, рассеянного в Солнечной системе. Химический состав комет сходен с содержанием элементов в живой материи. Кометы содержат воду и органическое вещество, являющееся превосходной питательной средой для микроорганизмов. Исследования комет показали, что в них неопределенно долго могут сохраняться почти все формы микроорганизмов, известных на Земле. Более того, к нам постоянно поступают из космоса бактерии и вирусы.

Ряд ученых считают, что живые организмы должны погибнуть в космосе под действием жестких ультрафиолетовых и космических лучей. Современные космические исследования позволяют считать, что вероятность обнаружить жизнь в пределах Солнечной системы ничтожна. Однако за ее пределами жизнь возможно существует. Имеются сообщения о нахождении в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни, но их биологическая природа не установлена.

Таким образом, полного научного обоснования гипотеза панспермии не получила. К тому же она не решает проблемы происхождения жизни, а лишь выносит ее за пределы нашей планеты.

5. Биохимическая эволюция А.И. Опарина

По современным научным представлениям возраст Земли составляет около 5 млрд. лет. В далеком прошлом температура ее поверхности была очень высокой (4000-8000⁰ С), и по мере того как Земля остывала, углерод и тугоплавкие металлы конденсировались и образовали земную кору. Поверхность планеты была голой и неровной, так как на ней в результате вулканической активности происходило образование складок и разрывов.

В 1923 г. А.И. Опарин в своей книге «Происхождение жизни»высказал мнение, что атмосфера первичной Земли была не такой, как сейчас. Легкие газы — водород, гелий, азот, кислород и аргон — уходили из атмосферы, так как гравитационное поле нашей еще недостаточно плотной планеты не могло их удержать. Однако такие соединения как вода, аммиак, углекислый газ и метан должны были удерживаться. До тех пор, пока температура Земли не упала ниже 100⁰ С, вся вода находилась в парообразном состоянии. Атмосфера была «восстановительной», о чем свидетельствует наличие в самых древних породах Земли металлов в восстановительной форме, таких как двухвалентное железо. Более молодые горные породы содержат металлы в окисленной форме (трехвалентное железо). Отсутствие в атмосфере кислорода было важным условием для возникновения жизни. Опытным путем установлено, что органические вещества (основа живых организмов) гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере, богатой кислородом.

Опарин полагал, что органические вещества (углеводороды) могли создаваться в океане из более простых соединений под действием интенсивной солнечной радиации (главным образом ультрафиолетовой), падавшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. Разнообразие находившихся в океане простых соединений, огромная площадь поверхности Земли, доступность энергии (молнии, вулканы) и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества, и образовался тот «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь.

Схожую мысль еще в 1871 г. высказал Ч. Дарвин: «Часто говорят, что все необходимые для создания живого организма условия, которые могли когда-то существовать, имеются и в настоящее время, но если представить себе, что в каком-то небольшом теплом пруду, содержащем всевозможные аммонийные и фосфорные соли, при наличии света, тепла, электричества и т. п. образовался бы химическим путем белок, готовый претерпеть еще более сложные превращения, то в наши дни такой материал непрерывно пожирался бы или поглощался, чего не могло случиться до того, как появились живые существа».

Появление жизни Опарин рассматривает как закономерный процесс перехода химической эволюции на качественно новый уровень – биохимическую эволюцию.

В 1953 г. американский ученый Стэнли Миллерпровел уникальный эксперимент. Пропуская в течение недели высоковольтные электрические разряды через смесь газов (CH₄, NH₃, H₂O, Н₂), предположительно составлявших первичную атмосферу Земли, он синтезировал 15 аминокислот (как лево-, так и правовращающих в т.ч. глицин, аланин и аспарагиновую к-ту), аденин и рибозу. Позже в сходном эксперименте были получены простые нуклеиновые кислоты длинной в 6 нуклеотидов.

Недавние эксперименты, проведенные с использованием установки Миллера, в которую, поместили смесь СО₂ и Н₂О и только следовые количества других газов, повторили результаты опытов Миллера. Следовательно, первичная атмосфера Земли содержала высокую концентрацию СО₂.

Опарин полагал, что решающая роль в превращениях неживого в живое принадлежала белкам. Благодаря амфотерности белковых молекул, они притягивают к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку, в результате чего образовывались коллоидные гидрофильные комплексы. Эти комплексы обособлялись от всей массы воды, образуя своего рода эмульсию. При слиянии комплексов друг с другом образовывались коацерваты(от лат. - сгусток), которые возможно, были способны к первичному обмену веществ с окружающей средой и избирательному накоплению различных соединений. Накапливаясь в водах океана, коацерваты образовали тот «первичный бульон», в котором впоследствии зародилась жизнь.

Различие в химическом составе коацерватов поставляло сырье для «биохимического естественного отбора». Входящие в состав коацерватов вещества вступали между собой в химические реакции, в результате чего образовались ферменты, значительно ускорившие процессы обмена и синтеза веществ. На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов (жиров), образуя примитивную клеточную мембрану. В результате включения в коацерват предсуществующей молекулы, способной к самовоспроизведению возникла примитивная клетка - гетеротрофный организм, питавшийся органическими веществами первичного «бульона».

Теория А.И. Опарина завоевала широкое признание в научном мире, но имеет как сильные, так и слабые стороны. Сильными сторонами являются:

- ее соответствие теории химической эволюции, согласно которой зарождение жизни – закономерный результат абиогенной эволюции материи.

- возможность лабораторного воспроизведения предполагаемых условий первобытной Земли и коацерватов, имитирующих доклеточный предок жизни.

Слабой стороной теории является то, что она оставляет нерешенным главный вопрос – как произошел качественный скачок от неживого к живому? К тому же она предполагает случайное возникновение первичной ДНК, вероятность чего - 10^-87. Куда более вероятно предположить, что какая-нибудь уг с другом образовывались коацерваты(от лат. - сгусток), которые возможно, были способны к первичному обмену веществ с окружающей средой и избирательному накоплению различных соединений. Накапливаясь в водах океана, коацерваты образовали тот «первичный бульон», в котором впоследствии зародилась жизнь.

Слабой стороной теории является то, что она оставляет нерешенным главный вопрос – как произошел качественный скачок от неживого к живому? К тому же она предполагает случайное возникновение первичной ДНК, вероятность чего - 10^-87. Куда более вероятно предположить, что какая-нибудь мартышка, барабаня по клавиатуре компьютера, напечатает 66-й сонет Шекспира. По современным представлениям, молекула ДНК сама по себе нежизнеспособна и может функционировать только в комплексе белками-ферментами.