Концепции возникновения жизни

Природа жизни и ее происхождение занимают одно из центральных мест в биологической проблематике. Концепция креационизма, т. е. божественного сотворения всего живого, не может быть рассмотрена в рамках концепций естествознания, так как не существует никаких фактов, которые могли бы даже косвенно подтвердить ее. Поэтому с точки зрения науки эта концепция бессмысленна. Есть также концепция, согласно которой жизнь существовала всегда. Данная позиция противоречит представлениям об универсальном эволюционизме, в том числе современным представлениям об этапах развития Вселенной. Согласно концепции панспермии, жизнь возникла в удаленной точке Вселенной, а потом была случайно занесена на Землю (например, посредством метеоритов). В строгом смысле слова эта концепция не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а лишь переносит проблему в какое-то другое место во Вселенной.

Теория самопроизвольного зарождения жизни была известна еще в Античности. Например, так считал Аристотель. Теория биохимической эволюции отражает современные представления о происхождении жизни на Земле и основывается на работах А. Опарина и Дж. Холдейна. Эти представления заключаются в признании абиогенного, т. е. небиологического возникновения органических веществ из химических элементов и неорганических молекул, составлявших атмосферу Земли в древности, путем длительной молекулярной эволюции. Работы Опарина и Холдейна были написаны в двадцатых годах прошлого-века. За прошедшие десятилетия концепция биохимической эволюции была подтверждена и существенно дополнена новыми данными.

Несмотря на общность происхождения планет Солнечной системы, только на Земле появилась жизнь. Связано это с тем, что для возникновения жизни необходимы некоторые космические и планетарные условия. Во-первых, масса планеты не должна быть слишком большой, так как энергия атомного распада природных радиоактивных веществ может привести к перегреву планеты или к радиоактивному загрязнению среды, не совместимому с жизнью. Слишком маленькие планеты не могут удержать около себя атмосферу, потому что сила притяжения их невелика. Во-вторых, планета должна вращаться вокруг звезды по орбите, близкой к круговой, так как это позволит постоянно и равномерно получать от нее необходимое количество энергии. В-третьих, интенсивность излучения светила должна быть постоянной. Неравномерность потока энергии будет препятствовать возникновению и развитию жизни, поскольку существование живых организмов возможно в узких температурных пределах. Всем этим условиям удовлетворяет Земля, на которой более 4 миллиардов лет назад начали создаваться условия для возникновения жизни.

На ранних этапах геологической эволюции в атмосфере Земли не было свободного кислорода. Атмосфера состояла из водорода и его соединений. По мнению Опарина, это служило важной предпосылкой для возникновения органических молекул небиологическим путем. В 1953 г. Л. Миллер экспериментально доказал возможность абиогенного синтеза органических соединений из неорганических. Пропуская электрический разряд через смесь Н₂, Н₂0, СН₄ и NH₃, он получил набор нескольких аминокислот и органические кислоты.

Согласно взглядам Опарина, в результате биохимической эволюции появились первые структурные образования — мембраны, которые включали в себя белок. Без их участия было бы невозможно объяснить образование будущих клеток. Мембраны, формирующиеся из биополимеров, могли замкнуться, ограничивая растворы с высокой концентрацией органических соединений, где протекали сложные реакции синтеза и распада. По мнению Опарина, так возникли коацерваты (сгустки) — ограничившиеся мембраной капельки высокомолекулярных соединений, которые позднее стали сливаться с другими, подрастать и избирательно поглощать отдельные вещества. Коацерваты позже стали клетками.

Самое трудное в этой концепции — это объяснить способность живых систем к самовоспроизведению, т. е. переход от сложных неживых систем к простым живым организмам. Общая схема биохимической эволюции принимается сегодня большинством биологов, однако по деталям процесса нет единого мнения. Например, случайное сочетание нуклеотидов, необходимое для возникновения одной молекулы ДНК, оказывается практически невероятным. По замечанию Ф. Хойла, мысль о возникновении живого в результате случайных взаимодействий молекул «столь же неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над местной свалкой, может привести к сборке самолета "Боинг-747".

Согласно современным представлениям начальные этапы биологической эволюции могли выглядеть следующим образом. Примерно 750 миллионов лет назад появились первые безъядерные клетки — прокариоты. Первые живые организмы — гетеротрофы — использовали в качестве источника энергии органические соединения, растворенные в водах первичного океана. Поскольку в атмосфере Земли не было свободного кислорода, гетеротрофы имели анаэробный (бескислородный) тип обмена веществ, эффективность которого невелика. Увеличение количества гетеро- трофов привело к истощению вод первичного океана, где оставалось все меньше готовых органических веществ, которые можно было использовать для питания. В более выгодном положении оказались организмы, развившие способность использовать энергию солнечного излучения для синтеза органических веществ из неорганических (авто-трофы). Усвоение углекислого газа такими организмами сопровождалось выделением кислорода. Так в атмосфере Земли начал накапливаться кислород.

Переход от первичной атмосферы к среде, содержащей кислород, представляет собой важнейшее событие как в эволюции живых существ, так и в преобразовании минералов. Во-первых, кислород в верхних слоях атмосферы под действием мощного ультрафиолетового излучения Солнца превращается в озон, который способен поглощать большую часть жестких коротковолновых ультрафиолетовых лучей, действующих разрушительно на сложные органические соединения. Во-вторых, в присутствии свободного кислорода возможен кислородный тип обмена веществ, который энергетически более эффективен, чем бескислородный.

Образование свободного кислорода вызвало к жизни многочисленные новые формы аэробных организмов. В результате симбиоза различных прокариотических (не обладающих оформленным клеточным ядром) организмов возникли ядерные, или эукариотические, организмы. Образовавшиеся подвижные эукариоты путем симбиоза с фото- синтезирующими организмами дали водоросль, или растение. Строение пигментного комплекса у фотосинтезирующих анаэробных бактерий сходно с пигментами зеленых растений.

Такое сходство указывает на возможность эволюционного преобразования фотосинтезирующего аппарата анаэробных бактерий в аналогичный аппарат зеленых растений.

Возможности одноклеточных в освоении среды обитания были ограничены, так как дыхание и питание простейших осуществляются через поверхность тела. При увеличении размеров клетки одноклеточного организма площадь ее поверхности возрастает значительно в меньшей степени, чем объем, поэтому мембрана, окружающая клетку, не могла обеспечить кислородом слишком большой организм. Основу современных представлений о возникновении многоклеточных организмов составляет гипотеза фагоцителлы И. Мечникова. По его представлениям, многоклеточные произошли от колониальных простейших — жгутиковых. Пример такой организации — ныне существующие колониальные жгутиковые типа вольвокс. Среди клеток колонии выделяются движущиеся, снабженные жгутиками, захватывающие добычу и уносящие ее внутрь колонии, и половые, функцией которых является размножение. Так колония превращается в примитивный, но целостный многоклеточный организм.

Следует еще раз подчеркнуть, что в настоящее время большинство исследователей в области естествознания признают связь возникновения жизни на Земле с длительным химическим процессом эволюции.