В современной теории эволюции значительное место занимают вопросы происхождения жизни на Земле, ибо в рамках теории эволюции происхождение жизни рассматривают в качестве самого первого (изначального) процесса образования живых форм (необиогенеза) из неорганических веществ, т. е. в виде химической эволюции. В наше время абиогенезу противопоставлена концепция постепенного возникновения и развития живого материала в течение длительного периода времени. Эта концепция получила название архебиоза или археогенеза.
Общепризнанной теорией происхождения жизни является теория, впервые предложенная в 1924 г. А. И. Опариным (1894— 1980) в его книге «Происхождение жизни». В дальнейшем эта теория подвергалась неоднократным уточнениям со стороны ее автора. Большой вклад в ее развитие внесли и многие другие ученые. В соответствии с теорией А. И. Опарина жизнь является результатом исторического односторонне направленного развития в виде постепенного усложнения органических субъединиц и развития их в сложные системы, обладающие свойствами живого (рис. 161).
Предполагают, что Земля сформировалась 4,5-5 млрд лет назад из облаков космической пыли. Она увеличивалась по массе в результате притяжения пылевых частиц благодаря действию гравитационных сил. Чтобы понять, каким образом возникли самые первые живые формы, необходимо вспомнить, какой была древняя атмосфера. В наше время земная атмосфера состоит почти на 80% из азота, а остальные 20% представлены главным образом кислородом, двуокисью углерода и некоторыми другими газами (в очень малом количестве). Однако древняя атмосфера была составлена из водяных паров, водорода, аммиака и метана. Водяные пары образовались из воды и концентрировались в атмосфере по той причине, что Земля еще была очень горячей. По мере остывания Земли, водяные пары конденсировались, образовывая облака, выпадали с дождями на Землю, а затем вода вновь превращалась в пар, который поднимался в атмосферу. Процессы испарения воды и конденсации водяных паров продолжаются и в наше время.
В соответствии с теорией А. И. Опарина жизнь возникла в несколько стадий. На первой стадии в древней атмосфере сформировались простейшие углеводороды. Предполагают, что необиогенез начался 3—3,5 млрд лет назад.
На второй стадии происходило освобождение углеводородов в атмосферу Земли, где они реагировали с водяными парами, аммиаком и другими газами. Эти реакции интенсифицировались коротковолновым УФ-излучением и электрическими разрядами и происходили в среде, содержащей очень мало кислорода, но, как отмечено выше, много водорода, метана, аммиака и паров воды. Под влиянием Солнца вода разлагалась на кислород и водород. Водород улетучивался, тогда как кислород окислял аммиак до молекулярного азота, а углеводороды до спиртов, альдегидов, кетонов и органических кислот. Эти соединения с дождями выпадали из влажной холодной атмосферы в моря и океаны, где они накапливались, а благодаря абиогенной полимеризации и конденсации становились по строению близкими к тем химическим соединениям, которые входят в состав живых организмов. Так возникали полимерные соединения, подобные белкам, нуклеиновым кислотам и АТФ. Вода морей и океанов становилась как бы «первичным бульоном».
На третьей стадии в «первичном бульоне» происходило образование так называемых коацерватных (от лат. acervatus — скрученный, нагроможденный) капель, которые, достигнув определенной величины, приобретали свойство открытых систем, реагирующих со средой. А. И. Опарин считал, что в процессе эволюции органических субстанций коацервация оказалась мощным средством концентрации соединений высокой молекулярной массы, в частности белковоподобных субстанций, растворенных в океане. В дальнейшем шло совершенствование и селекция коацерватов, которые становились устойчивыми системами, обособленными от среды и способными к реакциям (рис. 162).
На четвертой стадии у коацерватов совершенствовался метаболизм, синтезировались и упорядочивались мембраны, в результате чего установилась корреляция между нуклеиновыми кислотами и белками, что означало появление первичных организмов.
Никто не знает, какими были первые живые формы, но предполагают, что ими были самореплицирующиеся (автокаталитические) молекулы. Что касается первичных организмов, то ими, вероятно, были гетеротрофы. Из-за отсутствия кислорода в примитивной земной атмосфере и гидросфере метаболизм первичных организмов был анаэробным. Как предполагают, они питались за счет органических веществ, растворенных в первичном океане. Однако запасы абиогенно возникших органических субстанций постепенно истощались, что давало преимущество тем организмам, которые обладали способностью поглощать свет и создавать органические вещества из неорганических соединений углерода. В результате отбора в условиях повышенной концентрации СО2 в среде возник биологический путь синтеза органического вещества — фотосинтез. Опираясь на время возникновения цианобактерий, предполагают, что это произошло около 3,5´109 лет назад. Вслед за фотосинтезом наступило расхождение организмов на растения и животных.
Прогрессивное развитие первичных организмов и естественный отбор обеспечили затем возникновение автотрофов, использующих солнечную (световую) энергию для синтеза органических соединений из неорганических. В свою очередь это способствовало дальнейшему непрерывному синтезу органических веществ и появлению свободного газообразного кислорода в атмосфере, что полностью изменило жизненные процессы на Земле.
Близкие взгляды развивал Н. Г. Холодный (1882-1953), который тоже считал, что вначале образовались углеводороды, а затем из них в результате окисления образовались органические кислоты, спирты и т. д. В отличие о.т А. И. Опарина, Н. Г. Холодный считал, что жизнь возникла не в мировом океане, а в мелководьях после появления суши, что способствовало более интенсивной концентрации органических веществ и образованию коацерватов. Превращение пробиотических структур (пробионтов) в примитивные организмы произошло с окончательным высыханием мелководий.
Близкие взгляды развивал также английский ученый Д. Бернал (1901—1971), который полагал, что неорганическими предшественниками были углекислота, неорганические ортофосфаты, аммиак, сероводород и что первичный синтез органических соединений заключался в образовании очень простых молекул (состоящих из трех-шести атомов) из воды, метана и аммиака. В последующем в результате полимеризации возникли более сложные структуры, связанные с клеточной организацией. По Д. Берналу возникновение жизни шло по схеме атом — молекула — мономер — полимер — организм. Но в отличие от А. И. Опарина, он 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.
Теория А. И. Опарина нашла международное признание, ибо она имеет ряд доказательств, среди которых важнейшими являются результаты экспериментов, выполненные американским ученым С. Миллером еще в 1953 году. Пропуская электрический разряд через нагретую смесь, состоящую из метана, водорода, аммиака и водяных паров, и, таким образом, моделирующую древнюю атмосферу, а затем охлаждая водяные пары (имитируя осадки), С. Миллер получил абиогенным путем аминокислоты (глицин и аланин), альдегиды, молочную, уксусную и другие кислоты (рис. 163). В исследованиях других ученых, которые вместо электрического разряда использовали ионизирующее излучение, УФ-излучение и тепло, было показано абиогенное образование других аминокислот, азотистых оснований, полисахаридов.
В дальнейшем американский ученый С. Фоке (1977) установил, что при повышенных температурах и удалении свободной воды из смесей аминокислот имеет место поликонденсация аминокислот с образованием структур типа протеиноидов (белковопо-добных структур) молекулярной массой 4000-10 000 дальтон. В этих структурах последовательность аминокислот была произвольной без соблюдения какого-либо порядка. Тем не менее эксперименты С. Фокса явились существенным основанием к предположению роли высыхания в образовании простейших полипептидов. По данным других исследователей под действием УФ-излучения или ионизирующего излучения в водных растворах нуклеотидов также может происходить их поликонденсация с образованием связей 3'—5'.
Имея ряд доказательств, теория А. И. Опарина в наше время оказалась фундаментальной основой в формировании дальнейших представлений о происхождении жизни. С ней не согласны лишь «научные» креационисты, которые считают, что Земля возникла 10 000 лет назад и имеет сверхъестественное происхождение. Они считают также, что 10 000 лет назад появились растения и животные в современном виде и что их происхождение является тоже сверхъестественным. Однако, как и всякая другая научная теория, теория А. И. Опарина непрерывно подвергается совершенствованию. В частности, в последнее годы стали появляться новые научные данные, на основе которых сложилось представление о том, что жизнь возникла не в океане и не в мелководье, как полагали А. И. Опарин и Н. Г. Холодный, а в геотермальных источниках в раннем периоде (в архее) истории Земли и что первым полимером были молекулы РНК. Понимание РНК в качестве первого биологического полимера (по времени возникновения) означает совершенно новое представление, а именно: жизнь началась с РНК. Предполагают, что местами абиогенной поликонденсации азотистых оснований РНК (формирования цепей РНК) могли служить такие минералы, как цеолиты, характеризующиеся трехмерной сетчатой структурой. Эти минералы могли быть катализаторами (катализирующими свойствами обладала их поверхность), сходными с белками-ферментами, появившимися значительно позднее. Поэтому, располагаясь в трещинах вулканических пород вблизи геотермальных источников, цеолиты «плавали» в горячих растворах (40°С) с высоким содержанием метана, аммиака, фосфатов и рН порядка 8,0, катализируя при этом сборку олигонуклеотидов в РНК. В последующем молекулы РНК развились в самореплицирующиеся структуры, которые затем стали изолированными от цеолитов. Наконец, они объединились с липидами, что способствовало подготовке их к жизни в океане, где завершалось образование первичных жизненных форм.
Взгляды на то, что жизнь начиналась с РНК, согласуются с открытием в 1982 г. энзиматической активности ряда молекул РНК, получивших название рибозимов и сложившимися представлениями о «мире РНК». Трехмерная структура рибозимов имеет вид «головки молотка». Они могут кодировать информацию в наследуемой форме и катализировать химические реакции в отсутствие белков. В частности, известны рибозимы, которые действуют как олигонуклеотидные лигазы, полинуклеотидные киназы и изомера-зы, а также обладают способностью катализировать реакции алки-лирования. Исходя из данных, в соответствии с которыми молекулы РНК обладают как информативными свойствами, так и способностью катализировать довольно широкий набор реакций, стали предполагать, что они обеспечивали метаболизм еще до появления белкового синтеза, собирая себя самостоятельно в нуклео-тидном бульоне. В пользу этого предположения свидетельствуют данные об образовании цитозина в результате реакция цианоацет-альдегида в концентрированном растворе мочевины (условия испаряющихся лагун или высыхающих побережий на ранних этапах развития Земли).
Первичные молекулы РНК развивались затем в самореплици-рующиеся структуры благодаря мутациям и рекомбинациям. На следующей стадии РНК-молекулы стали синтезировать белки, вначале посредством развития адапторных молекул РНК, которые могли связывать активированные аминокислоты, затем посредством расположения их соответственно РНК-шаблону, используя молекулы РНК рибосом. Впоследствии появилась ДНК, информация в которой копировалась РНК посредством реверсивной (обратной) транскрипции, после чего РНК приобрела промежуточную роль.
Предполагают, что мир РНК связывает «пребиотический мир» с ДНК. Известны экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что олигонуклеотиды РНК обеспечивают синтез комплементарных цепей так называемой пептидной нуклеиновой кислоты (ПНК), в которой вместо фосфодиэфирных скелетных связей скелетом является амид.
В пользу представлений о пребиотической стадии эволюции жизни на Земле служат данные и о том, что одноцепочечная ДНК способна лигировать олигодезоксинуклеотиды в присутствии некоторых ионов. Следовательно, ДНК тоже обладает каталитической активностью, действуя как металлофермент (ДНК-зим). Следовательно, и РНК и ДНК обладают двойной способностью: катализировать реакции и хранить генетическую информацию.
Итак, в соответствии с моделью «мир РНК» в развитии жизни было время, когда все биологические реакции катализировались РНК. Если данное предположение справедливо, тогда оно ведет к решению давнего парадокса «что раньше, курица или яйцо», возникшего на основе его современного парадокса «что раньше, функциональные белки или нуклеиновые кислоты с их информативными свойствами».
Между тем возникает важнейший вопрос, а именно: если появление РНК действительно имело место на ранних стадиях эволюции на Земле, то существовала ли она на самом начальном этапе возникновения жизни, т. е- была ли она в самом «начале»? Вопрос этот очень труден для объяснений. Здесь возможны пока лишь самые общие допущения. Поскольку экспериментальный синтез рибонуклеотидов и неэнзиматическая репликация РНК в предполагаемых пребиотических условиях могла быть маловероятной, то легче допустить, что жизнь началась не с РНК, а с более простых репликационных систем, которые позднее (но на ранних этапах), были заменены РНК, ставшей играть ведущую роль в возникновении жизни. Такой системой мог быть, например, полимер, состоящий из белковоподобного скелета с азотистыми основаниями. Этот полимер мог выполнять роль шаблона в реакциях сборки более сложных соединений. Итак, возникновение жизни можно представить в ряде последовательных стадий, а именно: пребиоти-ческие химические процессы -» пре-РНК-мир (первые саморепли-цирующиеся молекулы) -> РНК-мир (биохимические реакции, катализируемые генетически кодируемыми рибозами) —> ДНК/белок-мир (биохимические реакции, катализируемые ДНК-кодируе-мыми белковыми ферментами) -> первые живые одноклеточные организмы. В соответствии с результатами молекулярно-генети-ческих исследований общий предок живых форм появился 2 млрд лет назад. Напротив, палеонтологические находки древнейших цианобактерий свидетельствуют о том, что такой предок существовал уже 3,5 млрд лет назад, а по результатам обнаружения углеродистых включений в скальных апатитах предполагают, что жизнь существовала 3,8 млрд лет назад.
www.ronl.ru
Российская Академия наук
Дальневосточное отделение
Кафедра философии
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕОРИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ
реферат
выполнил:
Сергеев Вадим Владимирович
аспирант Тихоокеанского института
географии ДВО РАН.
Специальность: 11.00.11 – охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов.
Научный руководитель
д. г. - м. н., проф.
Б.В. Преображенский
Владивосток, 2001
СОДЕРЖАНИЕ
Введение. 3
Ранние представления о происхождении жизни. 5
Современные взгляды на возникновение жизни. 7
Сценарий происхождения жизни Ю. А. Колясникова. 7
Возникновение жизни в глубинах гидротермальных систем. 10
Энергия и происхождение жизни на Земле. 14
Энергия и вещество. Химическая эволюция. 14
Звездный нуклкосинтез. 14
Образование малых молекул. 14
Возникновение мономеров. 15
Смешанные олигомеры. 15
Энергетические условия полимеризации. 15
Химические реакции, протекающие на примитивной Земле. 16
Энергетический метаболизм и синтез полимеров в современных организмах. 16
Возникновение Уробороса. 17
Протеиноидные микросферы. 17
Переход от неживого к живому. 17
Заключение. 19
Список использованных источников. 21
Камень преткновения в наших попытках понять происхождение жизни – невозможность представить себе те процессы, которые являются промежуточными между химической эволюцией и возникновением первой самовоспроизводящей и метаболизирующей единицы, которая называется клеткой.
Р. Янг (R. Young)
Проблема происхождения жизни приобрела сейчас неодолимое очарование для всего человечества. Она не только привлекает к себе пристальное внимание ученых разных стран и специальностей, но интересует вообще людей всего мира.
Многие считают, что эта проблема недостойна изучения. Так думают, те, кто верит в божественные или сверхъестественные силы и соответственно в сотворение жизни. Но в течение последних десятилетий многие ученые интенсивно исследовали возможность самопроизвольного возникновения жизни. Так или иначе, любой из нас, будь он сторонником ой или иной идеи должен иметь представление о современном состоянии этой области знаний. Вопрос этот интересен не только для богословов, философов и естествоиспытателей, но и для каждого человека. Теория происхождения жизни еще резче, чем столь популярная эволюционная теория Дарвина, ставит вопрос о том, как - или, если угодно, почему - мы появились в этом мире.
Для того чтобы достичь современной степени развития, биологическим системам понадобилось очень много времени (сотни и тысячи млн. лет). Изучаем ли мы происхождение по таким источникам как наша Земля, другие планеты или метеоритное вещество, мы непосредственно располагаем лишь кратким мгновением настоящего. При изучении вопросов происхождения жизни необходимо попытаться прочесть и воссоздать прошлое, в частности, для того чтобы найти химические и морфологические свидетельства предшествовавших образований и определить возраст горных пород. Основу теории возникновения жизни составляют химические и биологические данные. Существенный вклад вносит также философия.
По существу, проблема возникновения жизни есть проблема воссоздания древнейшей из всех древних историй. Чем лучше мы уясним ситуацию, существовавшую в первобытные времена, тем более достоверными и надежными будут эксперименты, в которых имитируются ранние события.
Понятие «жизнь» очень трудно целиком и полностью определить, с какой бы стороны мы ни пытались к нему подойти, всегда остается ощущение, что оно ускользает от нас. Можно последовать феноменологическому подходу и составить список свойств живого: живое существо движется, ему присущи функции выделения, питания и метаболизма, оно растет, воспроизводит себе подобных и так далее. Трудность, с которой сталкиваются при использовании этого подхода, состоит в том, что из подобного списка всегда найдутся исключения, ставящие под угрозу само определение. Такое определение – в виде произвольного списка свойств – вряд ли является фундаментальным. Например: в случае вируса, растущего кристалла, бактериальной споры оно оказывается неудовлетворительным.
Для того чтобы объяснить возникновение клеточных форм жизни, был разработан целый ряд гипотетических моделей, как лабораторных, так и теоретических. Все они представляются до некоторой степени вероятными и, несомненно, были в числе других испробованы в течение 1500 млн. лет земной истории между 4500 и 3000 млн. лет назад.
В течение многих веков для большинства людей проблемы возникновения живого вообще не существовало. Даже известные ученые допускали возможность постоянного зарождения живых существ из неживого. Греческий философ Аристотель, не сомневался в самозарождении лягушек, мышей, не говоря уже о более мелких животных и растениях.
В CVII веке голландский ученый Ян Баптист Ван-Гельмонт, известный своими количественными исследованиями питания растений, был и автором рецепта получения мышей из пшеницы и загрязненного потом белья. Английский философ Френсис Бэкон, основоположник экспериментальной науки, выступил в своем знаменитом труде «Новый органон» с резкой критикой Аристотеля и его последователей за отвлеченный характер мышления. В то же самое время он пишет о самозарождении мелких животных в гниющем субстрате.
Идея самопроизвольного зарождения живого из неживого не вызывала возражений и у таких выдающихся мыслителей как В. Гарней, Р. Декарт, Г. Галилей, Ж. Б. Ламарк, Г. Гегель.
Перелом в представлениях начался лишь во второй половине CVII века, когда тосканский врач Франческо Реди в 1668 году доказал, что белые черви, развивающиеся в гниющем мясе, представляют собой личинки мух.
Сто лет спустя Лазаро Спалланцани и русский ученый Мартын Тереховский нанесли первый удар по представлениям о самозарождении микроскопических организмов. Еще через сто лет, в 1862 году, французский ученый Луи Пастер окончательно опроверг догму самопроизвольного зарождения, утвердив положение, «все живое из живого».
Ученые, в какой-то мере, пытавшиеся ответить на вопрос о возникновении жизни, разделились на два лагеря. Представители одного лагеря развивали идею вечности жизни. Согласно этой идее жизнь на нашей планете никогда не зарождалась, а была занесена на Землю из глубин космоса, где она существует вечно. Таким образом, проблема возникновения жизни на Земле вообще снималась с повестки дня научного исследования. Представители другого лагеря, основываясь на некоторых фактических экспериментальных данных, пытались создать более или менее правдоподобные представления о возникновении живого из неживого. Наибольшей популярностью пользовались гипотезы Ф. Аллена, Г. Осборна, Э. Пфлюгера. Несмотря на несомненную ценность этих гипотез, все они имели один весьма существенный недостаток – возникновение живого из минеральных элементов трактовалось как внезапный случайный процесс.
На сегодня очевидно, что рождение Жизни могло произойти только в жидкой воде. Однако ни один исследователь не обратился к этому универсальному растворителю как к возможному, и, быть может, основному участнику кодирования белков в ДНК, а тем более как к главному дирижеру буквально всех процессов в нашем организме. Скорее всего, гипнотизирующая простота химического состава воды не давала даже повода к такой мысли. Но, исключив воду из рассмотрения возможных претендентов на матрицу синтеза предбиологической органики, исследователи за сорок лет безуспешных поисков были вынуждены обратиться к очень популярным ныне среди космобиохимиков идеям внеземного происхождения жизни и направленной панспермии.
Однако при таком простом составе структура аномальной по всем свойствам воды настолько сложна, что не поддается всем самым современным методам исследования.
В 1990 году Ю. А. Колясников предложил оригинальную политетрамерную модель структуры воды, в которой роль молекул играют не Н2О, а сверхсжатые водные тетрамеры Н8О4, соразмерные кремнекислородным тетраэдрам – элементарным «кирпичикам» литосферы.
Важным элементом модели является обнаруженная графически рацемичность воды, то есть наличие в ней зеркально-симметричных, по распределению внутренних Н- связей, тетрамеров. А как полагали еще П. Кюри и В. И. Вернадский, правизна - левизна живого вещества есть следствие диссиметрии среды, в данном случае – воды. Кроме того, в живом веществе, вода находится в связанном состоянии, когда тетрамеры «развязываются», образуя, правые и левые спиральные цепочки, в которых в связи с дипольностью молекул может быть записана некая информация.
Попробуем представить, что происходило на Земле 4 млрд. лет назад.
Сейчас наука возвращается к взглядам Р. Декарта об изначально горячей Земле. Именно с таких позиций пытались представить возникновение Жизни, или биопоэз, Дж. Холдейн, А. И. Опарин, Дж. Бернал и другие, но без конкретного сценария образования самого первородного океана.
В своей теории (или сценарии), автор пытается восполнить этот пробел.
По мере остывания планеты ее плотный облачный покров, подобный венерианскому, опускался все ниже и ниже. Из облаков проливались горячие ливни, но поначалу они выкипали на лету. Наконец дождевые капли стали достигать поверхности, но они падали и тут же вскипали. Это продолжалось достаточно долго, вплоть до того момента, когда одна из них не выкипела целиком, упав, следовательно, на максимально охлажденную точку горячей протокоры, с которой и начался стремительный рост гидросферы. В составе тонкой пленки первородного бульона имелись все нужные для синтеза предбиологической органики компоненты, хотя сама вода была тогда в дефиците.
В той первой капле в подкипящем состоянии (250 – 200 оС и 50 атм.) первая тетрамерная спиральная цепочка связанной с жестким силикатным субстратом воды, совершенно случайно оказалось левовращающей (с той же вероятностью она могла быть и правовращающей). На ней была синтезирована первая аминокислота, которая уже не случайно получилась левовращающей. К первой тетрамерной цепочке присоединилась вторая, тоже левая, как и синтезированная на ней аминокислота, то есть все последующие аминокислоты становились левовращающими. И так последовательно заработал водно-матричный механизм синтеза сразу хирально-чистой аминокислотной органики.
Однако одновременно с левовращающими «разворачивались» и правовращающие тетрамерные цепочки связанной воды, на которых позднее начался синтез менее термостойких сахаров – основы нуклеиновых кислот. Такой синхронный синтез полипептидов и полинуклеотидов неумолимо вел к образованию сложных нуклеопротеидных комплексов с записью в их примитивной РНК однозначного генетического кода.
Итак, главным фактором хирального очищения органики и возникновения генетического кода живого вещества Земли могло быть лишь одно из необычайных свойств воды, а именно ее собственная рацемичность. Следует отметить также, что в принятых сейчас сценариях биопоэза синтез рацемичной предбиологической органики происходил в уже существовавшем океане, в котором позднее произошла хиральная катастрофа.
В интерпретации же Ю. А. Колясникова все началось с самой первой капли, и далее шла стремительная экспансия бульонной пленки с синтезом в ней сразу хирально-чистой органики, что исключает маловероятную хиральную катастрофу. В результате на поверхности планеты образовался первобытный Солярис, огромная сеть бульонной пленки состоящей из предбиологического органического вещества.
С появлением в первом вулканическом катаклизме 4 млрд. лет назад на поверхности планеты свободной воды, уцелевшие фрагменты первобытного Соляриса дезинтегрировались в плазмиды, прионы и наноразмерные нуклеопротеидные комплексы. Избегая прямого контакта с чуждой им объемной политетрамерной водой, последние сворачивались, формируя белковые капсулы с РНК внутри них. Следовательно, вторым этапом биопоэза можно считать образование в первичной гидросфере бесчисленного множества разнообразных протовирусов, вироидов и прочих.
Позднее появились мембраны разного состава, а на их основе возникли первые клетки как вполне автономные истинно живые системы. Но и те, и другие продолжали использовать в своей жизнедеятельности первичную водную матрицу, обеспечивающую ускоренный синтез их биополимеров.
В настоящее время большинство ученых придерживается традиционных представлений о зарождении жизни в древнем теплом океане. Однако ряд открытий сделанных в последние одно-два десятилетия, главным образом крупнейшими микробиологами мира указывает на несколько иной порядок вещей. К. Везе, обобщая данные по эволюции микроорганизмов, расположил данную группу в основании бактериального филогенетического дерева. Таким образом, все прокариоты разделились на две группы - архебактерий и эубактерий. В ходе дальнейших исследований выяснилось, что архебактерии и эубактерии являются параллельными ветвями, развившимися из общей гипотетичной предковой формы - Прогенота. Реконструирование главных характеристик Прогенота, проведенное К. Везе, привело к вполне определенному выводу: наш общий предок существовал при температуре кипения воды, т. е. был гипертермофилом. Однако кроме проблемы температуры среды, в которой зародилась жизнь, существует и другая, более важная проблема: проблема понимания существа и причинности процессов, приводящих к возникновению простейших форм жизни.
Путь к решению данной проблемы на взгляд автора пролегает через комплекс идей и концепций, рассматривающих явления самоорганизации природных систем. В основании этого направления лежит сформулированная в рамках неравновесной термодинамики теория диссипативных структур. К классу диссипативных структур относятся все без исключения биологические и социальные системы, а также некоторые химические и физические системы, в которых существуют незатухающие динамические явления. Фактически в рамках теории диссипативных структур сформулирован целый ряд универсальных законов появления, развития и отмирания природных систем, которые справедливы в частности и для широкого класса биологических систем.
Кратким итогом сказанного выше являются три основных требования к среде, в которой зародилась жизнь:
1. Среда должна быть высокотемпературной;
2. В ней должны были происходить сильные колебания термодинамических и физико-химических параметров.
3. Среда должна быть жидкой.
Рассмотрим на основе этих критериев возможные среды, в которых могла возникнуть жизнь.
На планете Земля известны две жидкие глобальные геологические системы - гидросфера, объединяющая приповерхностные воды, главная масса которых сконцентрирована в океане и гидротермальные системы, представляющие обычно высокотемпературные глубинные потоки растворов, составленные из ювенильных и вадозных вод. Общее сопоставление химического состава планетарного океана и усредненного состава гидротермальных источников показывает наличие большого сходства. Эта особенность является естественной, поскольку океан формировался за счет мощных гидротермальных излияний в ходе геологического развития Земли.
Переходя ко второму критерию среды возникновения жизни - ее высокотемпературности - следует сделать выбор из этих двух сред в пользу гидротермальных систем. Хотя следует отметить, что критерий высокотемпературности не позволяет сделать окончательный выбор между океаном и гидротермальными системами, так как в случае исходно горячей Земли первичный океан тоже должен быть достаточно горячим.
Третье требование к среде - сильная неравновесность - является ключевым. Требования сильной неравновесности среды, необходимой для спонтанного возникновения явлений самоорганизации, означает наличие в среде сильных флуктуаций. Амплитуда флуктуаций должна быть велика для преодоления критического рубежа, за которым начинаются процессы самоорганизации. При небольших колебаниях параметров относительно средних равновесных значений никакой самоорганизации не происходит, последняя возникает только вдали от состояния равновесия. Оценивая с этих позиций степень возможных флуктуаций в океане можно сказать, пользуясь терминологией неравновесной термодинамики, что океан находится в состоянии аттракции, или относительно (подвижного) равновесия, которое характеризуется небольшими колебаниями параметров вокруг равновесных значений.
Принципиально иными в рассматриваемом аспекте являются гидротермальные системы. Кардинальное отличие гидротермальных систем от океана заключается в том, что они обладают собственной мощной энергетикой. Вследствие избытка свободной энергии в системе периодически происходит накопление напряжений, выражающееся в возрастании интенсивных параметров (температуры и давления). Так же периодически накопленные разряжаются, приводя к увеличению экстенсивных параметров – объема преобразованного растворами минерального вещества. Такая внутренняя активность гидротермальных систем и вызывает постоянные и различные по амплитуде флуктуации, поддерживающие состояние неравновесности.
Таким образом, наиболее вероятной средой для возникновения жизни являются глубокие области гидротермальных систем (от глубин в несколько километров до поверхности). Эта область характеризуется:
1. наличием высокотемпературной жидкой, существенно водной среды;
2. существованием в ней мощных динамических возмущений, и флуктуаций термодинамических и физико-химических параметров;
3. присутствием разнообразного растворенного и дисперсного органического вещества.
Эту зону автор рассматривает как своеобразный природный инкубатор, в котором зародились первичные эмбриональные формы протожизни.
В процессе гравитационного коллапса звезд гравитационная энергия превращается в тепло и энергию световых квантов, инициируя реакцию слияния протонов в a-частицы. Дальнейшее сжатие и сопровождающий его разогрев звезды создают условия для синтеза из a-частиц ядер углерода. В этих процессах высвобождается громадное количество энергии – намного больше чем при изменении гравитационной энергии. Это происходит за счет превращения вещества в энергию в реакциях нуклеосинтеза.
В CN-цикле протоны сливаются в a-частицы, при этом углерод выступает в роли катализатора. Кроме того, a-частицы могут и непосредственно взаимодействовать с ядрами кислорода, порождая ядра неона, магния, кремния и серы. В процессе фоторасщепления ядер энергия электромагнитного излучения инициирует образование и более тяжелых ядер вплоть до ядер железа.
Таким образом, в образовании химических элементов участвуют источники энергии четырех типов: гравитационной, тепловой, ядерной и энергии световых квантов.
Химические элементы образовавшиеся в ходе звездного нуклеосинтеза, объединяются друг с другом при относительно низких температурах на поверхности твердой коры планеты и образуют широкий спектр малых молекул. Под действием потоков энергии (молнии, УФ-излучение, вулканическое тепло) наиболее стабильные молекулы (СО2, N2, Н2О) превращаются в более сложные соединения (сахара, и аминокислоты) которые становятся «строительными блоками» жизни.
Простые молекулы-предшественники под действием потоков энергии различной природы соединяются с образованием мономеров. Моделируя в лаборатории условия, существовавшие на примитивной Земле, и используя в качестве простых молекул СН4, СН2О, Н2О и Nh4 удалось получить аминокислоты, сахара и азотистые основания (составляющие ДНК и РНК).
Смешанные олигомеры – биологически важные молекулы – образующиеся из мономеров в ходе реакции конденсации. Этот механизм формирования более крупных молекул является универсальным в биологии.
Для создания любого полимера организм должен затратить энергию. Связано это с тем что биологические полимеры находятся в водной среде, где весьма вероятен их гидролиз. Живые организмы получают необходимую им энергию за счет каталитически активных ферментов.
Это и есть суть проблемы Уробороса[1]: создание полимеров требует наличия полимеров. Иными словами: для того чтобы получить энергию, необходимую для синтеза полимеров, необходимо затратить энергию.
Рассматривая энергетически метаболизм и процессы полимеризации активированных мономеров, мы сталкиваемся с одним интересным моментом: продукты этих процессов, полимеры, являются очень важными компонентами молекулярного аппарата, при помощи которого сами эти полимеры образуются.
В этом смысле полимеры представляют собой самозарождающиеся объекты. Их синтез служит иллюстрацией головоломки Уробороса на молекулярном уровне, и разгадка этой головоломки аналогична решению проблемы самозарождения механизма синтеза полимеров.
На примитивной Земле протекали различные химические процессы, но особую роль играли те из них, в основе которых лежит фосфор. В конечном счете именно с помощью энергии фосфатной связи появилась возможность направлять энергию геофизических окислительно-восстановительных реакций на инициацию процессов в органическом веществе, существовавшем на ранней Земле. Благодаря превращению энергии окислительно-восстановительных реакций в энергию фосфатных связей произошла энергетическая инициация полимеризации мономеров.
Подойти к решению проблемы перехода от неживой материи к живой позволяет изучение механизмов, используемых современными организмами для генерации энергии фосфатных связей и синтеза полимеров. Это помогает также выявить те компоненты и механизмы, которыми должен был обладать примитивный Уроборос, чтобы считаться «живым».
Живая клетка использует белки в различных целях. Большинство видов белков является ферментами, катализирующими множество реакций, включая те из них, которые обеспечивают энергетический метаболизм, синтез мономеров и полинуклеотидов.
Полинуклеотиды используются клетками, прежде всего в процессе синтеза белков. Комплиментарность нуклеотидов четко контролирует аминокислотную последовательность синтезируемых белков и гарантирует правильность нуклеотидной последовательности в полинуклеотидах, образующихся в процессе репликации при размножении организма.
Пытаясь построить модель примитивного Уробороса, мы все время должны помнить, что все события происходили в геологическом масштабе времени. Относительно простой, примитивный Уроборос не мог возникнуть мгновенно даже после того, как на первобытной Земле были созданы условия, благоприятные для зарождения жизни.
Протеиноиды – термические белки. Образуются при самопроизвольном синтезе аминокислотных цепей. Длина и состав протеиноидов зависит от состава исходной аминокислоты, температуры и других условий.
Биохимики обнаружили, что при растворении протеиноидов в воде они спонтанно образуют сферы диаметром примерно 1 мкм. Такие объекты получили название микросфер.
Поскольку существовали микросферы, способные к синтезу РНК и, следовательно, небольших белков, то определенные последовательности РНК могли случайным образом кодировать короткие белки, способные катализировать копирование РНК (т. е. белки, обеспечивающие полимеризацию нуклеотидов на существующей молекуле РНК). Вторая копия этой РНК была бы идентична исходной РНК. Таким образом, эта модельная РНК могла функционировать как способный к воспроизведению ген, т. е. могла возникать самовоспроизводящаяся система – Уроборос.
Очень важной особенностью предложенной примитивной модели является ее эволюционные возможности: неточная репликация трансляция гена создает основу той самой мутабильности, которая может привести к отбору систем, обладающих наиболее совершенными механизмами энергетического сопряжения и использования энергии.
Зарождение жизни - точка отсчета для развития всего живого мира на Земле. Именно в этот момент начали функционировать фундаментальные законы существования живых организмов, которые с ходом поступательного развития жизни становились только более многоуровневыми и дифференцированными. Не поняв существа этих базисных законов, мы лишаем себя возможности осмыслить целый ряд важнейших аспектов в эволюционной биологии, цитологии, микробиологии, экологии, учении о биосфере и других науках, включая медицину и валеологию[2]. Можно сказать, что понимание причины и механизма возникновения первичных живых форм является тем ключом, который облегчит проникновение в тайны существования растений, животных и человека, и поможет найти оптимальные подходы к их гармоничному, или органичному, сосуществованию. Именно поэтому "ориджинология[3]" - должна занять достойное место в ряду других наук.
Кроме познавательного аспекта, ориджинология имеет важнейшее практическое значение. В настоящее время на планете быстрыми темпами развиваются глобальные изменения, связанные, прежде всего с ухудшением состояния экосистем и здоровья населения планеты. Многие ученые сходятся во мнении, что главным резервом, на который человечество может опираться в своем дальнейшем существовании, является системный ресурс биосферы. Другим резервом, является системный ресурс самого человека, его огромные потенциальные возможности, которые могут развертываться в трудных ситуациях. В решении обоих этих проблем могут быть использованы знания, накопленные учеными в ходе исследований, посвященных возникновению жизни на Земле.
Сравнивая первые теории, выдвинутые несколько десятилетий назад Опариным, Холдейном и Берналом - первопроходцами в этой области исследований, - с положениями, достигнутыми к настоящему времени, мы видим, как из набора слабо обоснованных фактами гипотез, выросла современная теория, как неизмеримо увеличились наши знания. Мы знаем теперь слабые места исходных гипотетических построений. На многих примерах мы поняли, какие из этих построений надо отбросить, какие заслуживают сохранения. В результате отпали многие неясности, мы смогли точнее представить себе, как возникла жизнь.
Даже сейчас, не ожидая новых открытий, которые, несомненно, появятся в будущем, мы с высокой степенью вероятности можем утверждать, что жизнь развилась естественным путем из некоей преджизни, состоявшей из "органических" соединений, созданных в результате неорганических процессов.. эта теория хорошо согласуется с большим числом проверенных научных фактов и наблюдений, полученных специалистами в самых разных естественных науках. В этом ее преимущество перед более ранними гипотезами, в которых было немало противоречий и несуразиц, тем более если включать в их число постулаты о внеземном, а то и сверхъестественном происхождении жизни. Сейчас эти постулаты признаются не только недостоверными, но и просто излишними; наука их отбрасывает. Жизнь на Земле могла возникнуть естественным путем, и, судя по известным фактам, именно так она и возникла.
1. Бернал Дж. Возникновение жизни. Москва: «Мир» 1969. 391 с.
2. Калвин В. Химическая эволюция. М.: Наука, 1971 - 190 с.;
3. Камшилов М. М. Эволюция биосферы. Москва: «Наука» 1974. 254 с.
4. Колясников Ю. А. К тайнам мироздания. Магадан: СВНЦ ДВО РАН, 1997. 225 с.
5. Компаниченко В. Н. Возникновение жизни в глубинах гидротермальных систем. Хабаровск, 1996, 105 с.
6. Руттен М. происхождение жизни (естественным путем). Пер. с англ./ Перевод Фролова Ю. М.; Под ред. и с предисл. Опарина А. И. – М.: Мир, 1973 – 415 с. с ил.
7. Фокс Р. Энергия и эволюция жизни на Земле: Пер. с англ. – М.: Мир, 1992. – 216с., ил.
8. Фолсом К. Происхождение жизни: Маленький теплый водоем. Пер. с англ./ Перевод Кирпотина Д. Б.; Под ред. и с предисл. Деборина Г. А. – М.: Мир, 1982 – 160 с. с ил.
[1] Уроборос – мифологический змей, символизирующий идею самозарождения.
[2] Валеология - наука о профилактическом укреплении здоровья.
[3] Ориджинология (originology) - наука о происхождении жизни, располагающаяся на стыке геологии, биологии, химии и неравновесной термодинамики. Этот термин предлагается автором в данной работе впервые.
Теги: Современные теории происхождения жизни Реферат Философияdodiplom.ru
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕОРИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ
реферат
СОДЕРЖАНИЕ
Введение. 3
Ранние представления о происхождении жизни. 5
Современные взгляды на возникновение жизни. 7
Сценарий происхождения жизни Ю. А. Колясникова. 7
Возникновение жизни в глубинах гидротермальных систем. 11
Энергия и происхождение жизни на Земле. 15
Энергия и вещество. Химическая эволюция. 15
Звездный нуклкосинтез. 15
Образование малых молекул. 15
Возникновение мономеров. 16
Смешанные олигомеры. 16
Энергетические условия полимеризации. 16
Химические реакции, протекающие на примитивной Земле. 17
Энергетический метаболизм и синтез полимеров в современных организмах. 17
Возникновение Уробороса. 18
Протеиноидные микросферы. 18
Переход от неживого к живому. 18
Заключение. 20
Список использованных источников. 22
Камень преткновения в наших попытках понять происхождение жизни – невозможность представить себе те процессы, которые являются промежуточными между химической эволюцией и возникновением первой самовоспроизводящей и метаболизирующей единицы, которая называется клеткой.
Р. Янг (R. Young)
Введение.
Проблема происхождения жизни приобрела сейчас неодолимое очарование для всего человечества. Она не только привлекает к себе пристальное внимание ученых разных стран и специальностей, но интересует вообще людей всего мира.
Многие считают, что эта проблема недостойна изучения. Так думают, те, кто верит в божественные или сверхъестественные силы и соответственно в сотворение жизни. Но в течение последних десятилетий многие ученые интенсивно исследовали возможность самопроизвольного возникновения жизни. Так или иначе, любой из нас, будь он сторонником ой или иной идеи должен иметь представление о современном состоянии этой области знаний. Вопрос этот интересен не только для богословов, философов и естествоиспытателей, но и для каждого человека. Теория происхождения жизни еще резче, чем столь популярная эволюционная теория Дарвина, ставит вопрос о том, как - или, если угодно, почему - мы появились в этом мире.
Для того чтобы достичь современной степени развития, биологическим системам понадобилось очень много времени (сотни и тысячи млн. лет). Изучаем ли мы происхождение по таким источникам как наша Земля, другие планеты или метеоритное вещество, мы непосредственно располагаем лишь кратким мгновением настоящего. При изучении вопросов происхождения жизни необходимо попытаться прочесть и воссоздать прошлое, в частности, для того чтобы найти химические и морфологические свидетельства предшествовавших образований и определить возраст горных пород. Основу теории возникновения жизни составляют химические и биологические данные. Существенный вклад вносит также философия.
По существу, проблема возникновения жизни есть проблема воссоздания древнейшей из всех древних историй. Чем лучше мы уясним ситуацию, существовавшую в первобытные времена, тем более достоверными и надежными будут эксперименты, в которых имитируются ранние события.
Понятие «жизнь» очень трудно целиком и полностью определить, с какой бы стороны мы ни пытались к нему подойти, всегда остается ощущение, что оно ускользает от нас. Можно последовать феноменологическому подходу и составить список свойств живого: живое существо движется, ему присущи функции выделения, питания и метаболизма, оно растет, воспроизводит себе подобных и так далее. Трудность, с которой сталкиваются при использовании этого подхода, состоит в том, что из подобного списка всегда найдутся исключения, ставящие под угрозу само определение. Такое определение – в виде произвольного списка свойств – вряд ли является фундаментальным. Например: в случае вируса, растущего кристалла, бактериальной споры оно оказывается неудовлетворительным.
Для того чтобы объяснить возникновение клеточных форм жизни, был разработан целый ряд гипотетических моделей, как лабораторных, так и теоретических. Все они представляются до некоторой степени вероятными и, несомненно, были в числе других испробованы в течение 1500 млн. лет земной истории между 4500 и 3000 млн. лет назад.
^ Ранние представления о происхождении жизни.
В течение многих веков для большинства людей проблемы возникновения живого вообще не существовало. Даже известные ученые допускали возможность постоянного зарождения живых существ из неживого. Греческий философ Аристотель, не сомневался в самозарождении лягушек, мышей, не говоря уже о более мелких животных и растениях.
В веке голландский ученый Ян Баптист Ван-Гельмонт, известный своими количественными исследованиями питания растений, был и автором рецепта получения мышей из пшеницы и загрязненного потом белья. Английский философ Френсис Бэкон, основоположник экспериментальной науки, выступил в своем знаменитом труде «Новый органон» с резкой критикой Аристотеля и его последователей за отвлеченный характер мышления. В то же самое время он пишет о самозарождении мелких животных в гниющем субстрате.
Идея самопроизвольного зарождения живого из неживого не вызывала возражений и у таких выдающихся мыслителей как В. Гарней, Р. Декарт, Г. Галилей, Ж. Б. Ламарк, Г. Гегель.
Перелом в представлениях начался лишь во второй половине века, когда тосканский врач Франческо Реди в 1668 году доказал, что белые черви, развивающиеся в гниющем мясе, представляют собой личинки мух.
Сто лет спустя Лазаро Спалланцани и русский ученый Мартын Тереховский нанесли первый удар по представлениям о самозарождении микроскопических организмов. Еще через сто лет, в 1862 году, французский ученый Луи Пастер окончательно опроверг догму самопроизвольного зарождения, утвердив положение, «все живое из живого».
Ученые, в какой-то мере, пытавшиеся ответить на вопрос о возникновении жизни, разделились на два лагеря. Представители одного лагеря развивали идею вечности жизни. Согласно этой идее жизнь на нашей планете никогда не зарождалась, а была занесена на Землю из глубин космоса, где она существует вечно. Таким образом, проблема возникновения жизни на Земле вообще снималась с повестки дня научного исследования. Представители другого лагеря, основываясь на некоторых фактических экспериментальных данных, пытались создать более или менее правдоподобные представления о возникновении живого из неживого. Наибольшей популярностью пользовались гипотезы Ф. Аллена, Г. Осборна, Э. Пфлюгера. Несмотря на несомненную ценность этих гипотез, все они имели один весьма существенный недостаток – возникновение живого из минеральных элементов трактовалось как внезапный случайный процесс.
^ Современные взгляды на возникновение жизни. Сценарий происхождения жизни Ю. А. Колясникова.
На сегодня очевидно, что рождение Жизни могло произойти только в жидкой воде. Однако ни один исследователь не обратился к этому универсальному растворителю как к возможному, и, быть может, основному участнику кодирования белков в ДНК, а тем более как к главному дирижеру буквально всех процессов в нашем организме. Скорее всего, гипнотизирующая простота химического состава воды не давала даже повода к такой мысли. Но, исключив воду из рассмотрения возможных претендентов на матрицу синтеза предбиологической органики, исследователи за сорок лет безуспешных поисков были вынуждены обратиться к очень популярным ныне среди космобиохимиков идеям внеземного происхождения жизни и направленной панспермии.
Однако при таком простом составе структура аномальной по всем свойствам воды настолько сложна, что не поддается всем самым современным методам исследования.
В 1990 году Ю. А. Колясников предложил оригинальную политетрамерную модель структуры воды, в которой роль молекул играют не Н2О, а сверхсжатые водные тетрамеры Н8О4, соразмерные кремнекислородным тетраэдрам – элементарным «кирпичикам» литосферы.
Важным элементом модели является обнаруженная графически рацемичность воды, то есть наличие в ней зеркально-симметричных, по распределению внутренних Н- связей, тетрамеров. А как полагали еще П. Кюри и В. И. Вернадский, правизна - левизна живого вещества есть следствие диссиметрии среды, в данном случае – воды. Кроме того, в живом веществе, вода находится в связанном состоянии, когда тетрамеры «развязываются», образуя, правые и левые спиральные цепочки, в которых в связи с дипольностью молекул может быть записана некая информация.
Попробуем представить, что происходило на Земле 4 млрд. лет назад.
Сейчас наука возвращается к взглядам Р. Декарта об изначально горячей Земле. Именно с таких позиций пытались представить возникновение Жизни, или биопоэз, Дж. Холдейн, А. И. Опарин, Дж. Бернал и другие, но без конкретного сценария образования самого первородного океана.
В своей теории (или сценарии), автор пытается восполнить этот пробел.
По мере остывания планеты ее плотный облачный покров, подобный венерианскому, опускался все ниже и ниже. Из облаков проливались горячие ливни, но поначалу они выкипали на лету. Наконец дождевые капли стали достигать поверхности, но они падали и тут же вскипали. Это продолжалось достаточно долго, вплоть до того момента, когда одна из них не выкипела целиком, упав, следовательно, на максимально охлажденную точку горячей протокоры, с которой и начался стремительный рост гидросферы. В составе тонкой пленки первородного бульона имелись все нужные для синтеза предбиологической органики компоненты, хотя сама вода была тогда в дефиците.
В той первой капле в подкипящем состоянии (250 – 200 оС и 50 атм.) первая тетрамерная спиральная цепочка связанной с жестким силикатным субстратом воды, совершенно случайно оказалось левовращающей (с той же вероятностью она могла быть и правовращающей). На ней была синтезирована первая аминокислота, которая уже не случайно получилась левовращающей. К первой тетрамерной цепочке присоединилась вторая, тоже левая, как и синтезированная на ней аминокислота, то есть все последующие аминокислоты становились левовращающими. И так последовательно заработал водно-матричный механизм синтеза сразу хирально-чистой аминокислотной органики.
Однако одновременно с левовращающими «разворачивались» и правовращающие тетрамерные цепочки связанной воды, на которых позднее начался синтез менее термостойких сахаров – основы нуклеиновых кислот. Такой синхронный синтез полипептидов и полинуклеотидов неумолимо вел к образованию сложных нуклеопротеидных комплексов с записью в их примитивной РНК однозначного генетического кода.
Итак, главным фактором хирального очищения органики и возникновения генетического кода живого вещества Земли могло быть лишь одно из необычайных свойств воды, а именно ее собственная рацемичность. Следует отметить также, что в принятых сейчас сценариях биопоэза синтез рацемичной предбиологической органики происходил в уже существовавшем океане, в котором позднее произошла хиральная катастрофа.
В интерпретации же Ю. А. Колясникова все началось с самой первой капли, и далее шла стремительная экспансия бульонной пленки с синтезом в ней сразу хирально-чистой органики, что исключает маловероятную хиральную катастрофу. В результате на поверхности планеты образовался первобытный Солярис, огромная сеть бульонной пленки состоящей из предбиологического органического вещества.
С появлением в первом вулканическом катаклизме 4 млрд. лет назад на поверхности планеты свободной воды, уцелевшие фрагменты первобытного Соляриса дезинтегрировались в плазмиды, прионы и наноразмерные нуклеопротеидные комплексы. Избегая прямого контакта с чуждой им объемной политетрамерной водой, последние сворачивались, формируя белковые капсулы с РНК внутри них. Следовательно, вторым этапом биопоэза можно считать образование в первичной гидросфере бесчисленного множества разнообразных протовирусов, вироидов и прочих.
Позднее появились мембраны разного состава, а на их основе возникли первые клетки как вполне автономные истинно живые системы. Но и те, и другие продолжали использовать в своей жизнедеятельности первичную водную матрицу, обеспечивающую ускоренный синтез их биополимеров.
^ Возникновение жизни в глубинах гидротермальных систем.
В настоящее время большинство ученых придерживается традиционных представлений о зарождении жизни в древнем теплом океане. Однако ряд открытий сделанных в последние одно-два десятилетия, главным образом крупнейшими микробиологами мира указывает на несколько иной порядок вещей. К. Везе, обобщая данные по эволюции микроорганизмов, расположил данную группу в основании бактериального филогенетического дерева. Таким образом, все прокариоты разделились на две группы - архебактерий и эубактерий. В ходе дальнейших исследований выяснилось, что архебактерии и эубактерии являются параллельными ветвями, развившимися из общей гипотетичной предковой формы - Прогенота. Реконструирование главных характеристик Прогенота, проведенное К. Везе, привело к вполне определенному выводу: наш общий предок существовал при температуре кипения воды, т. е. был гипертермофилом. Однако кроме проблемы температуры среды, в которой зародилась жизнь, существует и другая, более важная проблема: проблема понимания существа и причинности процессов, приводящих к возникновению простейших форм жизни.
Путь к решению данной проблемы на взгляд автора пролегает через комплекс идей и концепций, рассматривающих явления самоорганизации природных систем. В основании этого направления лежит сформулированная в рамках неравновесной термодинамики теория диссипативных структур. К классу диссипативных структур относятся все без исключения биологические и социальные системы, а также некоторые химические и физические системы, в которых существуют незатухающие динамические явления. Фактически в рамках теории диссипативных структур сформулирован целый ряд универсальных законов появления, развития и отмирания природных систем, которые справедливы в частности и для широкого класса биологических систем.
Кратким итогом сказанного выше являются три основных требования к среде, в которой зародилась жизнь:
Среда должна быть высокотемпературной;
В ней должны были происходить сильные колебания термодинамических и физико-химических параметров.
Среда должна быть жидкой.
Рассмотрим на основе этих критериев возможные среды, в которых могла возникнуть жизнь.
На планете Земля известны две жидкие глобальные геологические системы - гидросфера, объединяющая приповерхностные воды, главная масса которых сконцентрирована в океане и гидротермальные системы, представляющие обычно высокотемпературные глубинные потоки растворов, составленные из ювенильных и вадозных вод. Общее сопоставление химического состава планетарного океана и усредненного состава гидротермальных источников показывает наличие большого сходства. Эта особенность является естественной, поскольку океан формировался за счет мощных гидротермальных излияний в ходе геологического развития Земли.
Переходя ко второму критерию среды возникновения жизни - ее высокотемпературности - следует сделать выбор из этих двух сред в пользу гидротермальных систем. Хотя следует отметить, что критерий высокотемпературности не позволяет сделать окончательный выбор между океаном и гидротермальными системами, так как в случае исходно горячей Земли первичный океан тоже должен быть достаточно горячим.
Третье требование к среде - сильная неравновесность - является ключевым. Требования сильной неравновесности среды, необходимой для спонтанного возникновения явлений самоорганизации, означает наличие в среде сильных флуктуаций. Амплитуда флуктуаций должна быть велика для преодоления критического рубежа, за которым начинаются процессы самоорганизации. При небольших колебаниях параметров относительно средних равновесных значений никакой самоорганизации не происходит, последняя возникает только вдали от состояния равновесия. Оценивая с этих позиций степень возможных флуктуаций в океане можно сказать, пользуясь терминологией неравновесной термодинамики, что океан находится в состоянии аттракции, или относительно (подвижного) равновесия, которое характеризуется небольшими колебаниями параметров вокруг равновесных значений.
Принципиально иными в рассматриваемом аспекте являются гидротермальные системы. Кардинальное отличие гидротермальных систем от океана заключается в том, что они обладают собственной мощной энергетикой. Вследствие избытка свободной энергии в системе периодически происходит накопление напряжений, выражающееся в возрастании интенсивных параметров (температуры и давления). Так же периодически накопленные разряжаются, приводя к увеличению экстенсивных параметров – объема преобразованного растворами минерального вещества. Такая внутренняя активность гидротермальных систем и вызывает постоянные и различные по амплитуде флуктуации, поддерживающие состояние неравновесности.
Таким образом, наиболее вероятной средой для возникновения жизни являются глубокие области гидротермальных систем (от глубин в несколько километров до поверхности). Эта область характеризуется:
наличием высокотемпературной жидкой, существенно водной среды;
существованием в ней мощных динамических возмущений, и флуктуаций термодинамических и физико-химических параметров;
присутствием разнообразного растворенного и дисперсного органического вещества.
Эту зону автор рассматривает как своеобразный природный инкубатор, в котором зародились первичные эмбриональные формы протожизни.
^ Энергия и происхождение жизни на Земле.
Энергия и вещество. Химическая эволюция.
Звездный нуклкосинтез.
В процессе гравитационного коллапса звезд гравитационная энергия превращается в тепло и энергию световых квантов, инициируя реакцию слияния протонов в -частицы. Дальнейшее сжатие и сопровождающий его разогрев звезды создают условия для синтеза из -частиц ядер углерода. В этих процессах высвобождается громадное количество энергии – намного больше чем при изменении гравитационной энергии. Это происходит за счет превращения вещества в энергию в реакциях нуклеосинтеза.
В CN-цикле протоны сливаются в -частицы, при этом углерод выступает в роли катализатора. Кроме того, -частицы могут и непосредственно взаимодействовать с ядрами кислорода, порождая ядра неона, магния, кремния и серы. В процессе фоторасщепления ядер энергия электромагнитного излучения инициирует образование и более тяжелых ядер вплоть до ядер железа.
Таким образом, в образовании химических элементов участвуют источники энергии четырех типов: гравитационной, тепловой, ядерной и энергии световых квантов.
^ Образование малых молекул.
Химические элементы образовавшиеся в ходе звездного нуклеосинтеза, объединяются друг с другом при относительно низких температурах на поверхности твердой коры планеты и образуют широкий спектр малых молекул. Под действием потоков энергии (молнии, УФ-излучение, вулканическое тепло) наиболее стабильные молекулы (СО2, N2, Н2О) превращаются в более сложные соединения (сахара, и аминокислоты) которые становятся «строительными блоками» жизни.
^ Возникновение мономеров.
Простые молекулы-предшественники под действием потоков энергии различной природы соединяются с образованием мономеров. Моделируя в лаборатории условия, существовавшие на примитивной Земле, и используя в качестве простых молекул СН4, СН2О, Н2О и Nh4 удалось получить аминокислоты, сахара и азотистые основания (составляющие ДНК и РНК).
^ Смешанные олигомеры.
Смешанные олигомеры – биологически важные молекулы – образующиеся из мономеров в ходе реакции конденсации. Этот механизм формирования более крупных молекул является универсальным в биологии.
^ Энергетические условия полимеризации.
Для создания любого полимера организм должен затратить энергию. Связано это с тем что биологические полимеры находятся в водной среде, где весьма вероятен их гидролиз. Живые организмы получают необходимую им энергию за счет каталитически активных ферментов.
Это и есть суть проблемы Уробороса1: создание полимеров требует наличия полимеров. Иными словами: для того чтобы получить энергию, необходимую для синтеза полимеров, необходимо затратить энергию.
Рассматривая энергетически метаболизм и процессы полимеризации активированных мономеров, мы сталкиваемся с одним интересным моментом: продукты этих процессов, полимеры, являются очень важными компонентами молекулярного аппарата, при помощи которого сами эти полимеры образуются.
В этом смысле полимеры представляют собой самозарождающиеся объекты. Их синтез служит иллюстрацией головоломки Уробороса на молекулярном уровне, и разгадка этой головоломки аналогична решению проблемы самозарождения механизма синтеза полимеров.
^ Химические реакции, протекающие на примитивной Земле.
На примитивной Земле протекали различные химические процессы, но особую роль играли те из них, в основе которых лежит фосфор. В конечном счете именно с помощью энергии фосфатной связи появилась возможность направлять энергию геофизических окислительно-восстановительных реакций на инициацию процессов в органическом веществе, существовавшем на ранней Земле. Благодаря превращению энергии окислительно-восстановительных реакций в энергию фосфатных связей произошла энергетическая инициация полимеризации мономеров.
^ Энергетический метаболизм и синтез полимеров в современных организмах.
Подойти к решению проблемы перехода от неживой материи к живой позволяет изучение механизмов, используемых современными организмами для генерации энергии фосфатных связей и синтеза полимеров. Это помогает также выявить те компоненты и механизмы, которыми должен был обладать примитивный Уроборос, чтобы считаться «живым».
Живая клетка использует белки в различных целях. Большинство видов белков является ферментами, катализирующими множество реакций, включая те из них, которые обеспечивают энергетический метаболизм, синтез мономеров и полинуклеотидов.
Полинуклеотиды используются клетками, прежде всего в процессе синтеза белков. Комплиментарность нуклеотидов четко контролирует аминокислотную последовательность синтезируемых белков и гарантирует правильность нуклеотидной последовательности в полинуклеотидах, образующихся в процессе репликации при размножении организма.
^ Возникновение Уробороса.
Пытаясь построить модель примитивного Уробороса, мы все время должны помнить, что все события происходили в геологическом масштабе времени. Относительно простой, примитивный Уроборос не мог возникнуть мгновенно даже после того, как на первобытной Земле были созданы условия, благоприятные для зарождения жизни.
^ Протеиноидные микросферы.
Протеиноиды – термические белки. Образуются при самопроизвольном синтезе аминокислотных цепей. Длина и состав протеиноидов зависит от состава исходной аминокислоты, температуры и других условий.
Биохимики обнаружили, что при растворении протеиноидов в воде они спонтанно образуют сферы диаметром примерно 1 мкм. Такие объекты получили название микросфер.
^ Переход от неживого к живому.
Поскольку существовали микросферы, способные к синтезу РНК и, следовательно, небольших белков, то определенные последовательности РНК могли случайным образом кодировать короткие белки, способные катализировать копирование РНК (т. е. белки, обеспечивающие полимеризацию нуклеотидов на существующей молекуле РНК). Вторая копия этой РНК была бы идентична исходной РНК. Таким образом, эта модельная РНК могла функционировать как способный к воспроизведению ген, т. е. могла возникать самовоспроизводящаяся система – Уроборос.
Очень важной особенностью предложенной примитивной модели является ее эволюционные возможности: неточная репликация трансляция гена создает основу той самой мутабильности, которая может привести к отбору систем, обладающих наиболее совершенными механизмами энергетического сопряжения и использования энергии.
Заключение.
Зарождение жизни - точка отсчета для развития всего живого мира на Земле. Именно в этот момент начали функционировать фундаментальные законы существования живых организмов, которые с ходом поступательного развития жизни становились только более многоуровневыми и дифференцированными. Не поняв существа этих базисных законов, мы лишаем себя возможности осмыслить целый ряд важнейших аспектов в эволюционной биологии, цитологии, микробиологии, экологии, учении о биосфере и других науках, включая медицину и валеологию1. Можно сказать, что понимание причины и механизма возникновения первичных живых форм является тем ключом, который облегчит проникновение в тайны существования растений, животных и человека, и поможет найти оптимальные подходы к их гармоничному, или органичному, сосуществованию. Именно поэтому "ориджинология2" - должна занять достойное место в ряду других наук.
Кроме познавательного аспекта, ориджинология имеет важнейшее практическое значение. В настоящее время на планете быстрыми темпами развиваются глобальные изменения, связанные, прежде всего с ухудшением состояния экосистем и здоровья населения планеты. Многие ученые сходятся во мнении, что главным резервом, на который человечество может опираться в своем дальнейшем существовании, является системный ресурс биосферы. Другим резервом, является системный ресурс самого человека, его огромные потенциальные возможности, которые могут развертываться в трудных ситуациях. В решении обоих этих проблем могут быть использованы знания, накопленные учеными в ходе исследований, посвященных возникновению жизни на Земле.
Сравнивая первые теории, выдвинутые несколько десятилетий назад Опариным, Холдейном и Берналом - первопроходцами в этой области исследований, - с положениями, достигнутыми к настоящему времени, мы видим, как из набора слабо обоснованных фактами гипотез, выросла современная теория, как неизмеримо увеличились наши знания. Мы знаем теперь слабые места исходных гипотетических построений. На многих примерах мы поняли, какие из этих построений надо отбросить, какие заслуживают сохранения. В результате отпали многие неясности, мы смогли точнее представить себе, как возникла жизнь.
Даже сейчас, не ожидая новых открытий, которые, несомненно, появятся в будущем, мы с высокой степенью вероятности можем утверждать, что жизнь развилась естественным путем из некоей преджизни, состоявшей из "органических" соединений, созданных в результате неорганических процессов.. эта теория хорошо согласуется с большим числом проверенных научных фактов и наблюдений, полученных специалистами в самых разных естественных науках. В этом ее преимущество перед более ранними гипотезами, в которых было немало противоречий и несуразиц, тем более если включать в их число постулаты о внеземном, а то и сверхъестественном происхождении жизни. Сейчас эти постулаты признаются не только недостоверными, но и просто излишними; наука их отбрасывает. Жизнь на Земле могла возникнуть естественным путем, и, судя по известным фактам, именно так она и возникла.
^ Список использованных источников.
Бернал Дж. Возникновение жизни. Москва: «Мир» 1969. 391 с.
Калвин В. Химическая эволюция. М.: Наука, 1971 - 190 с.;
Камшилов М. М. Эволюция биосферы. Москва: «Наука» 1974. 254 с.
Колясников Ю. А. К тайнам мироздания. Магадан: СВНЦ ДВО РАН, 1997. 225 с.
Компаниченко В. Н. Возникновение жизни в глубинах гидротермальных систем. Хабаровск, 1996, 105 с.
Руттен М. происхождение жизни (естественным путем). Пер. с англ./ Перевод Фролова Ю. М.; Под ред. и с предисл. Опарина А. И. – М.: Мир, 1973 – 415 с. с ил.
Фокс Р. Энергия и эволюция жизни на Земле: Пер. с англ. – М.: Мир, 1992. – 216с., ил.
Фолсом К. Происхождение жизни: Маленький теплый водоем. Пер. с англ./ Перевод Кирпотина Д. Б.; Под ред. и с предисл. Деборина Г. А. – М.: Мир, 1982 – 160 с. с ил.
1 Уроборос – мифологический змей, символизирующий идею самозарождения.
1 Валеология - наука о профилактическом укреплении здоровья.
2 Ориджинология (originology) - наука о происхождении жизни, располагающаяся на стыке геологии, биологии, химии и неравновесной термодинамики. Этот термин предлагается автором в данной работе впервые.
www.ronl.ru
Возникновение и эволюция биологических систем – исходная тема биологии. Вокруг нее концентрируются все другие частнонаучные проблемы и вопросы, а также строятся философские обобщения и выводы.
В соответствии с двумя основными мировоззренческими позициями – материалистической и идеалистической – еще в древней философии сложились противоположные концепции происхождения жизни: креационизм и материалистическая теория происхождения органической природы из неорганической. Сторонники креационизма утверждают, что жизнь возникла в результате акта божественного творения, свидетельством чего является наличие в живых организмах особой силы, которая управляет всеми биологическими процессами. Сторонники концепциипроисхождения жизни из неживой природы утверждают, что органическая природа возникла благодаря действию естественных законов. Позже эта позиция была конкретизирована в идее самозарождения жизни. Концепция самозарождения, несмотря на ошибочность, сыграла позитивную роль, опыты, призванные подтвердить ее, предоставили богатый эмпирический материал для развивающейся биологической науки. Окончательный отказ от идеи самозарождения произошел только в XIX в.
В XIX в. была также выдвинута гипотеза вечного существования жизни и ее космического происхождения на Земле. В 1865 г. немецкий врач Г. Рихтер высказал предположение, что жизнь существует в космосе и переносится с одной планеты на другую. В 1907 г. шведский ученый С. Аррени-ус выдвинул схожую гипотезу, согласно которой зародыши жизни вечно существуют во Вселенной, движутся в космическом пространстве под влиянием световых лучей и, оседая на поверхности планеты, дают начало жизни. Эта гипотеза получила название панспермии. В начале XX в. идею космического происхождения биологических систем на Земле и вечности существования жизни в космосе развивал русский ученый В.И. Вернадский.
В современной науке принята гипотеза абиогенного (небиологического) происхождения жизни под действием естественных причин в результате длительного процесса космической, геологической и химической эволюции – абиогенез. Абиогенная концепция не исключает возможности существования жизни в космосе и ее космического происхождения на Земле. Понятно, что воспроизвести процессы, происходившие в момент зарождения жизни, невозможно, поэтому любые заключения по этому вопросу и любые интерпретации этой темы основаны на методе моделирования (1.5).
Первый этап возникновения живого связан с химической эволюцией. После возникновения Земля представляла собой раскаленный шар. Постепенное остывание планеты способствовало тому, что тяжелые химические элементы перемещались к ее центру, а легкие постепенно скапливались на поверхности. Легкие элементы – кислород, углерод, азот и водород – стали взаимодействовать друг с другом, и в ходе дальнейшей химической эволюции появились различные органические соединения. Земная жизнь имеет углеродную основу, чему способствуют особые физические свойства этого химического элемента. Так, углерод способен создавать самые разнообразные структуры, число возможных органических соединений на основе углерода составляет десятки миллионов. Соединения углерода активны при невысокой температуре, даже при небольшой перестройке молекул их химическая активность может существенно меняться. Соединения углерода с водородом, азотом, кислородом, серой, железом и т. п. обладают высокими каталитическими свойствами. Кроме того, многие углеродные соединения хорошо растворяются в воде. Тем не менее ученые не исключают возможности возникновения жизни и на иной, например, кремниевой основе.
По мере остывания земной поверхности происходило сгущение водяных паров, что впоследствии привело к образованию огромных водоемов. Результатом активной вулканической деятельности на первых этапах эволюции нашей планеты стал выброс на ее поверхность различных карбидов – соединений углерода с металлами. Карбиды смывались в первичный океан, где вступали во взаимодействие с водой. В результате этих химических реакций образовались различные углеводородные соединения.
Второй этап возникновения живого связан с появлением белковыгх веществ. Присутствие в водах первичного океана большого числа углеродных соединений привело к возникновению концентрированного «органического бульона», в котором осуществлялся дальнейший процесс синтеза сложных органических молекул – белков и нуклеиновых кислот – из достаточно простых углеродных соединений.
Одним из условий для синтеза сложных органических молекул – биополимеров – является высокая концентрация исходных веществ. Предполагается, что необходимые условия сложились в результате осаждения простых органических молекул на минеральных частицах, например на глине, первичных водоемов. Кроме того, органические молекулы могли образовывать тонкую пленку на поверхности воды, которая под воздействием ветра и водных потоков сбивалась к берегу, образуя толстые слои.
Еще одним условием для синтеза биополимеров является наличие бескислородной среды, поскольку кислород, будучи сильным окислителем, моментально разрушил бы исходные органические соединения. Американский ученый Г. Юри выдвинул предположение, что первичная атмосфера Земли действительно была бескислородной и носила восстановительный характер. Она была насыщена инертными газами – гелием, неоном, аргоном, содержала водород, метан, аммиак и азот. Именно в такой среде легко создаются органические соединения. Вторичная атмосфера Земли имела уже иной состав, который стал следствием развития жизни. Вторичная атмосфера на 20 % состояла из кислорода и носила окислительный характер. Для подобного преобразования земной атмосферы понадобилось не менее 1 млрд лет. Идея Г. Юри оказала значительное влияние на развитие представлений о происхождении жизни.
Возможность абиогенного синтеза биополимеров – белковых молекул и азотистых оснований – была экспериментально доказана в середине XX в. В 1953 г. американский ученый С. Миллер смоделировал первичную атмосферу Земли и синтезировал жирные кислоты, уксусную и муравьиную кислоты, мочевину и аминокислоты путем пропускания электрических зарядов через смесь инертных газов. Таким образом было продемонстрировано, как под действием абиогенных факторов возможен синтез сложных органических соединений.
Итак, под воздействием высокой температуры, ионизирующего и ультрафиолетового излучения, атмосферного электричества из простейших органических соединений образовались белки, жиры, углеводы и аминокислоты. Согласно гипотезе русского ученого А.И. Опарина, которая была изложена в работе «Происхождение жизни» (1924), смешиваясь в первичном «бульоне», поначалу разрозненные органические соединения способны образовывать коацерватные капли. Коацерваты уже обладают рядом свойств, которые объединяют их с простейшими живыми существами. Так, например, коацерваты способны поглощать вещества из окружающей среды, вступать во взаимодействия друг с другом, увеличиваться в размерах и т. п. Однако в отличие от живых существ коацерватные капли не способны к самовоспроизводству и саморегуляции, поэтому их нельзя отнести к биологическим системам. Эксперименты с коацерватами показали, что скорость, с которой они поглощают вещества из окружающей среды, может быть различна и зависит от химической организации и пространственной структуры каждой конкретной капли. Поэтому две разновидности коацерва-тов в одном и том же растворе будут вести себя по-разному. Данные эксперименты являются косвенным подтверждением того обстоятельства, что на этой стадии предбиологичес-кой эволюции вполне мог происходить отбор коацерватов в зависимости от характера их взаимодействия с окружающей средой.
Третий этап возникновения жизни связан с формированием у органических соединений способности к самовоспроизводству. Началом жизни следует считать возникновение стабильной самовоспроизводящейся органической системы с постоянной последовательностью нуклеотидов. Только после возникновения таких систем можно говорить о начале биологической эволюции. Одну из версий перехода от предбиологической к биологической эволюции предлагает немецкий ученый М. Эйген. Согласно его гипотезе возникновение жизни объясняется взаимодействием нуклеиновых кислот и протеинов. Нуклеиновые кислоты являются носителями генетической информации, а протеины служат катализаторами химических реакций. Нуклеиновые кислоты воспроизводят себя и передают информацию протеинам. Возникает замкнутая цепь – гиперцикл, в котором процессы химических реакций самоускоряются за счет присутствия катализаторов. В гиперциклах продукт реакции одновременно выступает и катализатором, и исходным реагентом. Подобные реакции называются автокаталитическими.
Другой теорией, в рамках которой можно объяснить переход от предбиологической эволюции к биологической, является синергетика (8.2). Закономерности, открытые синергетикой, позволяют прояснить механизмы возникновения органической материи из неорганической в терминах самоорганизации через спонтанное возникновение новых структур в ходе взаимодействия открытой системы с окружающей средой.
studfiles.net
Если проанализировать все данные, которые удалось получить ученым в ходе различных исследований, становится очевидным, что жизнь на Земле — поразительно невероятный факт. Шансы на ее появление в нашей Вселенной ничтожно малы. Все этапы возникновения жизни содержали в себе возможность альтернативного развития событий, в результате которых мир так и остался бы холодной космической бездной без намека не то что на человеческий разум, а даже на мельчайшего микроба. Креационисты объясняют столь невероятное событие божественным вмешательством. Однако существование Бога невозможно доказать или опровергнуть, а современные представления о возникновении жизни, как и вся наука в целом, базируются на экспериментальных данных и теоретических разработках, которые можно поставить под сомнение или подтвердить.
Человеческие познания переживают эволюцию, чем-то схожую в основных моментах с описанным Дарвином процессом. Теории проходят естественный отбор и выживают сильнейшие, сумевшие выдержать натиск контраргументов или приспособиться, видоизмениться под стать им. Гипотезы происхождения жизни также прошли длительный путь становления, завершение которого еще даже не обозначилось, поскольку ежедневно открываются новые факты, вынуждающие корректировать уже устоявшиеся взгляды.
Крупной вехой на этой дороге стал витализм — теория постоянного самозарождения жизни. Согласно ее положениям, мыши появлялись в старом тряпье, черви — в гниющих остатках пищи. Витализм довлел над наукой вплоть до опытов Луи Пастера в 1860 году, когда он доказал невозможность самозарождения живых организмов. Результаты вызвали парадоксальные события: они укрепили веру в божественное начало и заставили ученых искать доказательства того, что они недавно опровергли. Наука стремилась объяснить, что самостоятельное зарождение жизни имело место, но очень давно и происходило поэтапно, заняв миллионы лет.
Ситуация казалась безнадежной до того момента, пока в 1864 году А.М. Бутлеров не сделал важное открытие.
Он сумел получить органическое вещество (углерод) из неорганического (в его эксперименте это был формальдегид). Полученные данные разрушили внушительную стену, разграничивавшую до сих пор живые организмы и мир мертвой материи. Спустя время ученые смогли получить и другие варианты органики из неорганических веществ. С этого момента стали формироваться современные представления о возникновении жизни. Они вобрали в себя данные не только биологии, но и космологии и физики.
Теории возникновения жизни охватывают огромный период: первые предпосылки для будущего формирования организмов ученые находят еще на ранних этапах зарождения Вселенной. Современная физика ведет отсчет существования мира от Большого взрыва, когда практически из ничего появилось все. В быстро расширяющейся и остывающей Вселенной образовались сначала атомы и молекулы, затем они стали объединяться, образуя звезды первого поколения. Они стали местом формирования большинства элементов, известных сегодня науке. Новые атомы заполняли космос после взрывов звезд и становились основой для следующего поколения объектов, в том числе и нашего Солнца. Современные данные позволяют предположить, что первые органические соединения могли появиться в протопланетных облаках, окружавших новые звезды. Из них вскоре сформировались и планеты. Получается, что первые этапы возникновения жизни на Земле проходили еще до ее образования.
Процессы, происходившие на Голубой планете в ее «детские годы», поддерживались веществами, входящими в состав ее недр и поступающими из космоса в качестве метеоритов. Гипотезы возникновения жизни одной из важных основ для зарождения органики на Земле называют катализаторы химических реакций, попавшие сюда с осколками этих «пришельцев». Они привели к тому, что подавляющую роль в формировании новых веществ на планете стали играть самые быстрые процессы.
Следующий этап — автокаталитические циклы. В таких процессах образуются вещества, способствующие увеличению скорости реакции, а также возобновляющие субстрат — элементы, вступающие во взаимодействие. Цикл, таким образом, замкнулся: процессы сами себя ускоряли и сами себе «готовили пищу», то есть вещества, которые вновь вступали в реакцию, опять катализируя сами себя и вновь образуя субстрат, и так далее.
Современные представления о возникновении жизни долгое время содержали противоречивые мнения. Камень преткновения — проблема курицы и яйца. Что возникло сначала: белки, осуществляющие все процессы в клетке, или ДНК, определяющая строение этих белков, хранящая всю наследственную информацию. Первые необходимы для организма, так как способствуют самоподдержанию системы, без которого жизнь невозможна. ДНК содержит запись строения клетки, также определяющую жизнеспособность. Мнения ученых разделились и ответа на вопрос не было до того момента, когда стало известно, что в качестве хранилища наследственной информации у вирусов выступает не ДНК, а РНК, третий класс органических соединений, которому обычно отводилась в теории возникновения жизни лишь второстепенная роль.
Постепенно стали накапливаться факты и в 80-х годах прошлого века появились данные, перевернувшие представления о начальных этапах формирования живой материи. Были обнаружены рибозимы, молекулы РНК, обладающие способностями белков, в частности, катализировать реакции. Первые формы жизни, таким образом, могли возникнуть и без участия белков и ДНК. В них функцию хранения информации, а также всю внутреннюю работу совершала РНК. Жизнь на Земле теперь происходила от протоорганизмов, представляющих собой автокаталитические циклы, состоящие из самовоспроизводящихся рибозимов. Теория получила название «РНК-мир».
Сегодня трудно представить себе жизнь того периода, поскольку она не имела одной важной особенности — оболочки или границы. По сути, это был раствор, содержащий автокаталитические циклы из РНК. Проблема отсутствия границ, необходимых для правильного протекания процессов, решалась подручными способами. Протоорганизмы находили приют вблизи минералов цеолитов, обладавших сетчатой структурой кристаллической решетки. Их поверхность была способна катализировать образование цепочек РНК и придавать им определенную конфигурацию.
Дальше — больше: на сцене появляются коацерваты или водно-липидные капли. Гипотезы происхождения жизни как недавнего времени, так и современности во многом опираются на теорию А.И. Опарина, изучавшего свойства подобных образований. Коацерваты — это капли раствора, заключенные в оболочку из жиров (липидов). Их мембраны характеризуются избирательной проницаемостью и способностью осуществлять обмен веществ. Часть из них, по-видимому, объединилась с цепочками самовоспроизводящихся РНК, в том числе и с теми, которые катализировали синтез самих липидов. Так возникли новые формы жизни, преодолевшие путь от доорганизменного уровня к собственно организменному. Возможность таких образований была подтверждена совсем недавно: ученые экспериментально подтвердили способность РНК в соединении с ионами кальция прикрепляться к липидным мембранам и регулировать их проницаемость.
Зарождение жизни на следующем этапе проходило процесс усовершенствования функций образовавшихся организмов. РНК приобрела способность катализировать синтез аминокислотных полимеров, первоначально довольно простых. Венцом настройки нового механизма стала возможность синтезировать белки. Появившиеся образования в несколько раз эффективнее справлялись с биологическими процессами, чем рибозимы.
Изначально синтез пептидов не был упорядоченным. Процесс происходил «как попало», оставляя случаю руководство последовательностью аминокислот в новых цепочках. Со временем закрепилось точное копирование, поскольку именно оно способствовало большей стабильности всей системы. Так появился генетический код, позволяющий синтезировать определенные белки с необходимыми функциями.
Оттачивание способности синтезировать нужные белки проходило постепенно. Первым этапом было появление специального вида РНК, которые могли соединять аминокислоты. Следующая фаза сопровождалась построением процесса образования молекул пептида с помощью выстроенных в определенном порядке оснований. Последовательность при этом задавалась РНК-шаблоном. Соотнесением «инструкции» информативной РНК и элементов будущих белков занялся новый тип РНК, названный транспортным. Как и информационная, она и по сей день — важные части синтеза пептидов.
Усложнение организмов далее шло по пути усовершенствования способов хранения информации. Предполагают, что первоначально ДНК была одной из фаз жизненного цикла колоний РНК. Она обладала более устойчивой структурой. Ее степень защиты информации была на порядок выше, поэтому спустя какое-то, довольно продолжительное, время ДНК стала главным хранилищем генетического кода.
Одно из свойств нового образования, в свое время не позволившего поставить ДНК во главу теории возникновения жизни, — это неспособность к активным действиям. Оно стало своеобразной платой за усовершенствованные функции хранилища информации. Вся «работа» осталась белкам и РНК.
Современные представления о возникновении жизни не выводят в качестве предка замкнутый и отгороженный от остальных организм. Ученые больше склоняются в пользу предположения, что на первых этапах существовали сообщества микроскопических подобий клеток, выполнявших разные функции. Подобный симбиоз нетрудно встретить в природе и сегодня. Простейший пример — циано-бактериальные маты, являющиеся одновременно содружеством микроорганизмов и единым целым живым существом.
Возникновение жизни на Земле биология на современном этапе своего развития видит процессом, характеризующимся не постоянной борьбой и конкуренцией, а скорее всевозрастающим сплочением определенных разноплановых структур, в итоге приведшим к появлению живой клетки, как мы ее сегодня представляем.
Подводя итоги, можно кратко перечислить все этапы формирования жизни, представляющиеся в рамках современных теорий наиболее вероятной версией появления и развития организмов на Земле:
Образование первичных органических соединений в протопланетных облаках.
Постепенный выход на первый план реакций, обладающих способностью к самоускорению, и автокаталитических циклов.
Появление автокаталитических циклов, состоящих из РНК.
Союз РНК и липидных оболочек.
Приобретение РНК способности синтезировать белок.
Появление ДНК и ее утверждение в качестве главного хранилища информации.
Образование первых одноклеточных организмов на основе симбиоза.
Понимание процессов, приведших к появлению жизни, еще несовершенно. У ученых остается масса вопросов. Не известно точно, как зародилась РНК, многие промежуточные фазы остаются только теоретическими. Однако каждый день ставятся новые эксперименты, проверяются факты и гипотезы. Можно с уверенностью говорить, что наш век подарит миру еще массу открытий, связанных с доисторической эпохой.
fb.ru
