Научный период исследования вопроса о происхождении жизни на Земле

Результаты опытов Пастера убедили научный мир в невозможности самопроизвольного зарождения жизни из неживого в настоящее время. Сам же Пастер и многие его современники из этих данных сделали вывод о том, что зарождение живого из неживого невозможно принципиально, т. е. никогда и ни при каких условиях. Для того чтобы все же объяснить, каким образом могла возникнуть жизнь на Земле, была предложена гипотеза вечности жизни. Мысль состояла в том, что зародыши жизни (споры растений и микроорганизмов, цисты простейших) будто бы рассеяны в космическом пространстве и переносятся с планеты на планету. Горячим сторонником этого взгляда выступил выдающийся ученый конца XIX в. физико-химик С. Аррёниус — создатель теории электролитической диссоциации. Эту же точку зрения разделял крупный советский ученый, биогеохимик академик В.И. Вернадский. Существует ряд сторонников этого взгляда и в настоящее время. Они указывают, что Земля и окружающие ее планеты никогда не были полностью изолированы друг от друга. Напротив, между ними всегда существовала связь и обмен материей. В среднем на Землю падает около 1 т метеоритного вещества в сутки. Еще больше оседает пыли — до 250 т/сут. Ряд ученых предполагают, что вместе с метеоритами и пылью на Землю могут проникнуть живые и жизнеспособные организмы: споры, пыльца растений, микроорганизмы; цисты простейших и т. д. Аррёниус высказал предположение, что мельчайшие зародыши жизни могли бы переноситься в космическом пространстве с громадными скоростями, достигающими нескольких тысяч километров в секунду под давлением света. Конечно, эта точка зрения получила бы серьезную поддержку, если бы было строго доказано присутствие живых организмов в космической пыли и в метеоритах. В настоящее время в музеях Европы и Америки хранится около 600 метеоритов. Многие из них подверглись подробному исследованию. В некоторых из них было открыто присутствие органических веществ. В других были найдены структуры, напоминающие водоросли, в третьих — какие-то окаменевшие, неизвестные на Земле формы организмов. Поиски живых организмов в метеоритах были, однако, до сих пор безуспешными.

Против гипотезы о переселении жизни на Землю с других планет были многочисленные возражения. Многие считали, что при перенесении организмов в космическом пространстве они будут убиты ультрафиолетовыми лучами, интенсивность которых в космосе очень велика. Говорили также, что ничто живое не в состоянии перенести ни низкую температуру космического пространства, ни высокую температуру, до какой нагревается метеорит, когда он пролетает через земную атмосферу. Однако академик А.А. Имшенецкий указал, что микроорганизмы, укрывшиеся в трещинах метеорита, могут быть надежно защищены от ультрафиолетового облучения, а из опытов ряда других ученых выяснилось, что многие споры и другие высушенные организмы способны переносить без вреда температуры, близкие к абсолютному нулю, а также достаточно высокие температуры (гораздо выше 100°С), особенно если они действуют кратковременно. Таким образом, все эти возражения, видимо, решающего значения не имеют. Более существенно другое, принципиальное возражение. Если бы даже было доказано, что на Землю могут попадать живые организмы с метеоритами и, следовательно, возможно, что жизнь на Земле возникла путем заноса ее с других планет, каким же образом возникла жизнь на этих других планетах? По данным космологии, история возникновения и история развития планет близки между собой. Все они проходят стадию звезд, т. е. стадию, когда они представляют собой раскаленные светящиеся тела, и, следовательно, в этот период температурные условия на их поверхности абсолютно несовместимы с жизнью. Каким же образом возникла жизнь на этих планетах? Приняв, таким образом, гипотезу о переселении жизни с планеты на планету, мы фактически уходим от решения вопроса о происхождении жизни. Вот почему' эта гипотеза, хотя и не лишена правдоподобия, не пользуется признанием биологов.

Гораздо больший интерес привлекает другая точка зрения, согласно которой жизнь возникла на самой Земле из неорганической, т. е. неживой, материи. Согласно этой точке зрения, разработанной главным образом трудами советского ученого академика А.И. Опарина, на Земле и на других планетах на одном из этапов их длительной эволюции возникают условия, при которых становится возможным и даже неизбежным возникновение жизни.

Вернемся снова к далекому прошлому Земли и других планет, когда они представляли собой раскаленные газообразные шары. По сравнению с массой Солнца массы планет были невелики. Поэтому термоядерные реакции закончились на них раньше, чем на Солнце, и планеты начали остывать. Они продолжали вращаться, и содержащиеся в них тяжелые атомы (никеля, железа) концентрировались в центре, более легкие атомы (кремния, алюминия) собирались в средние слои, а самые легкие атомы (водорода, углерода, азота, кислорода) располагались на поверхности. Это обстоятельство представляется весьма многозначительным, так как из этих легких элементов главным образом и состоят организмы.

Когда температура наружных слоев планеты упала до 2000° С, атомы разных элементов соединялись друг с другом и образовывали химические соединения. Водород с кислородом дал Н₂О, водород с углеродом — метан (СH₄), углерод с кислородом — СО₂, водород с азотом — аммиак (NH3), водород, углерод и азот образовали цианистоводородную кислоту (HCN) и т. д. Кроме соединений между разными атомами, свободные атомы водорода, азота и кислорода соединялись в молекулы Н₂, N₂, О₂. Прошло еще много тысячелетий (или, может быть, миллионов лет), прежде чем поверхность планеты охладилась до такой степени, что начало изменяться агрегатное состояние составляющих ее веществ. Наиболее легкие, низкокипящие, соединения водорода, углерода, азота и кислорода — Н₂, N_2, CH4, СО₂ и др. — газообразны в широком интервале температур. Многие из них существуют и до сих пор на Земле в газообразном состоянии. Они образуют самый наружный слой Земли — ее атмосферу. Более высококипящие вещества превращались в жидкости, затем они затвердевали. Образовалась кора — сначала тонкая и хрупкая, затем все более массивная и прочная. Целость коры часто нарушалась: она вспучивалась от взрывов, сотрясавших ее недра, в разных местах образовывались кратеры, и из них на поверхность Земли извергались массы раскаленной лавы. На поверхности планеты образовались горы и глубокие впадины. Поверхность ее еще долго оставалась очень горячей. Условия, господствовавшие на Земле в ту далекую эпоху, возможно, напоминают условия, которые существуют в настоящее время на Венере. Как известно, советская межпланетная станция «Венера-4» плавно опустилась «а поверхность Венеры и провела ряд исследований свойств атмосферы этой планеты и ее поверхности. Температура у поверхности Венеры оказалась равной 280°С. При такой температуре олово находится в жидком состоянии, а вода — в виде пара. В ту эпоху, когда температура на поверхности Земли была такой, какая она сейчас на Венере, на Земле не было воды. Над Землей на сотни километров стояли густые облака водяного пара.

Когда температура на поверхности Земли стала ниже 100°С, начались проливные дожди. Они шли день и ночь в течение тысячелетий, вода наполняла впадины на земной поверхности, и образовались моря и океаны. В горячей дождевой воде растворялись NH₃, CO₂, CH₄, HCN из атмосферы, а также соли и другие вещества, вымываемые из поверхностных слоев Земли. В ту далекую эпоху Солнце светило ярче, чем теперь, и излучение Солнца представляло мощный источник энергии. Грозы в то время были часты и необычны по своей силе, и в поверхность Земли то и дело ударяли молнии. В таких условиях между веществами, растворенными в первобытном океане, неизбежно должны были происходить химические реакции, в результате которых могли образоваться органические соединения.

Первым шагом на пути возникновения жизни на Земле стал небиологический (абиогенный) синтез органических молекул из неорганических.

Для изучения химических реакций, которые могли происходить на Земле в условиях, существовавших на ней несколько миллиардов лет назад, американский химик Миллер сконструировал аппарат. В аппарат (через кран А) вводятся некоторые вещества, которые могли находиться в воде первобытного океана: Н₂О, СО₂₎ NH₃, CH4. Колбочка (Б) подогревается, и вода в ней кипит, водяной пар заполняет аппарат, и температура в нем поддерживается около 80°С. В расширенной части аппарата в стенки впаяны 2 электрода и пропускается ток, дающий искровые разряды. В холодильнике водяной пар конденсируется в воду, которая стекает обратно в колбочку. Аппарат хорошо герметизирован и работает непрерывно в течение многих часов. Уже в первые дни было отмечено изменение цвета жидкости в колбочке: из бесцветной она стала желтой, а к исходу недели темно-коричневой. При анализе раствора в нем было обнаружено присутствие большого числа разнообразных органических соединений: спиртов, альдегидов, кислот, сахаров, аминокислот и др. Сходные результаты были получены советскими учеными Пасынским и Павловской. Они исследовали влияние фактора, действие которого в начальные периоды существования Земли было, вероятно, еще большим, чем электрические разряды, — ультрафиолетового излучения.

Вполне ясно, таким образом, что на Земле в древнюю эпоху могло происходить образование органических соединений. Органические молекулы вступали во взаимодействие друг с другом и образовывали более сложные соединения. В течение миллионов лет возникали и разрушались бесчисленные варианты новых соединений — от простых до самых сложных и высокомолекулярных. Среди них могли быть, по-видимому, вещества любых классов органических соединений: и углеводы, и жиры, и белки, и нуклеиновые кислоты.

Органические вещества накапливались в воде первобытного океана. Они находились там поначалу в виде очень разбавленного раствора. Но для жизни характерно не однородное распределение вещества, а сгущение его и образование индивидуальных, обособленных от внешней среды систем — организмов. Вторым шагом на пути возникновения жизни на Земле был процесс концентрирования органических веществ.

Как происходил этот процесс, сказать трудно. Возможно, что сгустки органических веществ осаждались на прибрежном песке или в виде пены выделялись на поверхность воды. Академик Опарин считает наиболее вероятным, что этот процесс происходил в силу присущей всем высокомолекулярным веществам способности самопроизвольно концентрироваться и образовывать так называемые коацерваты. Явление коацервации состоит в том, что при некоторых условиях (например, в присутствии электролитов) высокомолекулярные вещества отделяются из раствора, но не в форме осадка, а в виде раствора же, но более концентрированного. Таким образом, раствор, оставаясь жидкостью, расслаивается на два несмешивающихся раствора, отличающихся по концентрации высокомолекулярного вещества. Более концентрированный раствор и называется коацерватом.

При встряхивании коацервата он разбивается на мелкие капельки. Капельки коацервата представляют собой многомолекулярную систему, обладающую простейшей организацией. Благодаря более высокой концентрации органических веществ в коацервате и, следовательно, более тесному расположению молекул возможность их взаимодействия между собой резко увеличивается. Таким образом, благодаря концентрированию органических веществ возможности органического синтеза значительно расширяются.

Исследования академика А.И. Опарина показали, что капельки коацервата проявляют ряд свойств, внешне напоминающих свойства живой системы: они, например, способны поглощать из окружающего раствора различные вещества. Это напоминает процесс питания. В результате поглощения веществ капельки коацервата увеличиваются в размерах. Внешне это сходно с процессом роста клетки. Можно подобрать такие условия опыта, при которых вещества поглощенные будут вступать между собой в реакцию, а продукты этой реакции будут выделяться из коацервата в окружающую среду. Это похоже на процесс выделения из клетки продуктов обмена веществ. По мнению А.И. Опарина, между капельками коацервата происходит даже нечто напоминающее борьбу за существование, в результате которой в целости остаются капельки, более устойчивые, более приспособленные к окружающей среде.

Хотя коацерваты и по своей форме, и по некоторым свойствам внешне напоминают живые объекты, они являются, конечно, неживыми образованиями. В них еще отсутствует главный признак живого организма — способность к воспроизведению одних и тех же молекул, входящих в его состав, в них нет еще столь характерной для живой системы способности к самообновлению своего состава.

Третьей и последней ступенью к созданию жизни и явилось возникновение процесса самовоспроизведения молекул.

Полинуклеотиды — ДНК и РНК, обладают замечательной способностью их к редупликации. Полинуклеотиды содержатся на всех ступенях эволюции во всех живых системах, от самых простых до самых сложных — от вирусов до нервных клеток человека. Возможно, что первыми самовоспроизводящимися молекулами могли быть также полинуклеотиды. Первобытные полинуклеотиды были, наверное, значительно проще, чем современные, и содержали всего один-два десятка звеньев. Процесс редупликации происходил у них, вероятно, медленнее, чем в наше время. Однако сборка на молекуле такой же по составу и структуре другой молекулы означала возникновение нового принципа химического синтеза — матричного синтеза, столь характерного для живых систем.

Конечно, в истории этого перехода от коацервата к простейшей системе, способной к самовоспроизведению, многое еще неясно. В этом процессе у современных нам клеток участвуют, кроме самовоспроизводящейся молекулы, также ферменты, катализирующие процесс «сшивания» полинуклеотида. Для осуществления этого процесса необходимо также присутствие молекул АТФ, поставляющей энергию. Впрочем, возможно, что все эти необходимые компоненты процесса самовоспроизведения были в воде первобытного океана и поглощались капельками коацервата. Возможно, что первобытные существа были подобны современным вирусам, которые по своему составу представляют собой почти чистый полинуклеотид. Правда, современные вирусы способны размножаться только внутри живой клетки. Возможно, однако, что на заре жизни предки нынешних вирусов могли размножаться в капельках коацервата, так как в них могли быть все необходимые для этого условия.

В процессе воспроизведения полинуклеотидных молекул в некоторых случаях возникают «ошибки», т. е. новая молекула полинуклеотида не вполне точно копирует исходную. В дальнейшем, однако, происходит копирование уже этой новой, измененной молекулы. Таким образом, возникают изменения, называемые мутациями. Частота их резко повышается при воздействии излучений, особенно ионизирующих излучений.

Первобытные организмы по способу питания были настоящими гетеротрофами, так как они использовали уже готовые органические вещества. Питание в этот период еще не было острой проблемой: первичный океан содержал достаточное количество разнообразных соединений. По мере размножения организмов запасы органических веществ, однако, иссякали, а синтез новых не поспевал за потребностью. Началась борьба за пищу, в которой выживали более активные, более стойкие и приспособленные. Случайно приобретенные в результате наследственных изменений защитные приспособления, или особенности строения, или особенности характера обмена веществ закреплялись отбором, если они давали, хотя бы небольшие преимущества выжить. По-видимому, именно в результате действия отбора закреплялись многие свойства живых образований, приведшие к превращению первичных организмов в современные вирусы и клетки. Так, например, образовалась защитная оболочка вокруг нуклеиновой кислоты у вирусов или возник слой цитоплазмы вокруг ядра, образовалась поверхностная мембрана у клеток и т. д.

Крупным шагом на пути эволюции жизни было возникновение автотрофного питания. В условиях все уменьшающихся запасов органических соединений у некоторых организмов возникла способность к самостоятельному синтезу органических соединений из простых неорганических веществ окружающей среды. Энергию, необходимую для такого синтеза, некоторые организмы стали освобождать путем простейших химических реакций окисления и восстановления. Так возник хемосинтез, который и в настоящее время является источником энергии у некоторых бактерий.

Но особенно крупным прогрессивным изменением типа ароморфоза было возникновение фотосинтеза. Видимый свет Солнца представлял неисчерпаемый, постоянный источник энергии. По-видимому, еще на заре жизни у каких-то организмов возникли окрашенные молекулы, предшественники современного хлорофилла, катализировавшие реакции фотолиза воды, синтеза АТФ и НАДФхН₂ с использованием солнечной энергии. Возникновение и развитие фотосинтеза оказало громадное влияние на дальнейшую эволюцию жизни. В период возникновения жизни, как в атмосфере, так и в океане не осталось свободного кислорода: этот активный элемент был связан другими элементами и находился в составе различных неорганических веществ. Поэтому первоначально организмы получали энергию путем без кислородных реакций органических веществ. Этот путь получения энергии, как мы знаем, малоэффективен и требует большого количества пищи. С развитием фотосинтеза и появлением в атмосфере и воде свободного кислорода возник новый путь освобождения энергии — кислородный путь расщепления. Кислородный процесс примерно в 20 раз эффективнее без кислородного, и организмы, выработавшие способность к дыханию, стали быстро и успешно развиваться.

Фотосинтез способствовал развитию жизни на Земле еще иным путем. Дело в том, что Земля в период возникновения на ней жизни подвергалась интенсивному воздействию излучения Солнца, которое было губительно для жизни. Вода поглощает излучение, поэтому жизнь первоначально была возможной только в океане. По мере развития фотосинтезирующих организмов и накопления кислорода часть его превращалась в озон, обладающий способностью интенсивно поглощать ультрафиолетовое и ионизирующее излучение. В результате на Землю попадало все меньше и меньше губительного излучения и стала возможной жизнь на суше. Жизнь «вышла» из воды и распространилась по всей поверхности Земли.

Часто спрашивают: «Возможно ли возникновение жизни на Земле небиологическим путем в наше время?» По-видимому, невозможно, так как, если бы где-нибудь произошло образование органических веществ, они немедленно были бы поглощены гетеротрофными организмами. В наше время живые тела возникают только биологическим путем, т. е. в процессе рождения от подобных себе существ.

Список литературы

1. Азимов А. Краткая история биологии. М.,1997.

2. Кемп П., Армс К. Введение в биологию. М.,2000.

3. Либберт Э. Общая биология. М.,1978 Льоцци М. История физики. М.,2001.

4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М.,1999.

5. Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. М.,1993.