Основные теории происхождения жизни на Земле

История жизни на Земле скрывает много тайн. Будут ли они когда-нибудь раскрыты, покажет будущее развитие науки.

Мы ограничимся культурно-историческим рассмотрением всех гипотез возникновения жизни на Земле. В рамках же естественнонаучной концепции особое внимание уделим конструктивно-теоретическим моделям теории биохимической эволюции.

Так как биологическое время – возраст обладает «стрелой времени», направленной от прошлого к будущему и описывается триадой: рождение – старение – гибель, то эволюционная идея возникла уже в мифологии и сформировалась в античной натурфилософии в теорию самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества, при этом предполагалось многократное зарождение на основе наивного трансформизма путем случайного сочетания отдельных органов (Эмпедокл, 495-435 до н.э.), внезапном превращении видов (Анаксимен, 384-322 до н.э.). Аристотель (384-322 до н.э.) оформил теорию самопроизвольного зарождения жизни в теорию постепенного развития живых форм (от простого к сложному), которая пересекается в средние века с теорией креационизма.

Креационизм (созидание, творение) – содержит тезис о божественном творении мира и человека. Согласно этой теории жизнь – результат сверхъестественных событий в прошлом. Многие ученые в эстетике мышления фактически объединяют эволюционную идею с креационизмом. Нам представляется оправданной эстетика мышления российского философа ХХ века Мераба Мамардашвили, приводящая к пересечению сакрального и секулярного мышления в «точке встречи, которой мы помыслили мысль, которую невозможно иметь волей или желанием мысли. Она помыслится или не помыслится. И если помыслится, если мы в этой точке пересечения в полноте собранного бытия, она мимо нас не пройдет. Тогда мы достойны этой мысли или говоря иначе, достойны дара. Дар не вытекает из наших заслуг, мы достойны его, лишь когда он с нами случится и это путь по дуге, а не по горизонтали, поскольку мы сцеплены и сращены с высшим, сверхсознательным».

В ХVII веке возникла теория биогенеза, которая сводится к утверждению, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни, т. е. «живое от живого.» Она была сформирована итальянским врачом и биологом Ф. Реди и известна в литературе как «принцип Реди». Французский биолог Луи Пастер в 1862 году убедительными опытами доказал невозможность самопроизвольного зарождения простейших организмов в современных условиях и утвердил принцип «все живое из живого». Эстетика мышления основателя современной микробиологии и иммунологии Л. Пастера явно пересекается с креационизмом в следующем высказывании: «Чем более я занимаюсь изучением природы, тем более я останавливаюсь в благоговейном изумлении перед делами Творца. Я молюсь во время работ своих в лаборатории».

Принцип дополнительности эволюционных идей с креационизмом характерен и для принципа развития Ж.Б. Ламарка (1744-1829), который постулировал следующие положения: организмы изменчивы; виды (и другие таксономические категории) условны и постепенно преобразуются в новые виды; общая тенденция исторических изменений организмов – постепенное совершенствование их организации (градация), движущей силой которой является изначальное (заложенное Творцом) стремление природы к прогрессу. Для ламаркизма характерны два дополняющих друг друга признака: телеологизм – как присущее организмам стремление к совершенствованию, организмоцентризм – признание организма в качестве элементарной единицы эволюции.

Чарльз Дарвин (1809 - 1882), обобщив отдельные эволюционные идеи, создал стройную развернутую теорию эволюции. Движущими силами эволюции он считал наследственную изменчивость и естественный отбор, а в качестве элементарной единицы эволюции организм каждого вида, т. е. фактически отдельных особей. Выживающие особи дают начало следующему поколению, и таким образом «удачные» положительные изменения передаются следующим поколениям. Очень часто теорию естественного отбора Чарльза Дарвина противопоставляют креационизму. Однако обратимся к эстетике мышления Чарльза Дарвина: «Мир покоится на закономерностях и в своих проявлениях представляется, как продукт разума – это указание на его Творца».

«Бог, воистину dues ex machine, позволяет перескочить пропасть между живым и мертвым, природой и духом, сохранив при этом и пропасть».Бог (Творец) – это сложная, творческая конструкция нашего ума, демонстрирующая способность цивилизующего человечества мыслить абстрактно. В средние века теория креационизма оформляется в конфессиональных философских теологиях и религиях, в основе которых лежит тезис: «Бог познается только через веру», тем самым религия отделила веру в божественное творение мира от науки, т. е. от научного метода познания мира, опирающегося на совокупность эмпирических и теоретических методов. В то же время добро и зло получают в религии священную санкцию и человек обретает внутренний покой и свет для труда в нашем несовершенном мире. Наиболее ярко это выражено в следующем поучение М.В. Ломоносова: «Не здраво рассудителен математик, ежели он хочет Божественную волю измерить циркулем. Таков же богословия учитель, если он думает, что по Псалтарю можно научиться астрономии и химии».

Появление жизни на Земле пытались объяснить и занесением ее из других космических миров. В 1865 году немецкий врач Г. Рихтер выдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), в соответствие с которой жизнь является вечной и зачатки, населяющие мировое пространство могут переносится с одной планеты на другую. Возникла теория стационарного состояния, согласно которой жизнь существовала всегда, опирающаяся в определенной степени и на «принцип Реди». Эта гипотеза была поддержана многими ученными XIX века – У. Томпсоном, Г. Гельмгольцем и другими. Теорию стационарного состояния в определенной степени разделял и наш великий ученый В.И. Вернадский, считавший, что жизнь на Земле появилась одновременно с появлением Земли.

Теория стационарного состояния в модели Рихтера пересекается с теорией панспермии, которую в 1907 году выдвинул известный шведский естествоиспытатель С. Аррениус: «Во Вселенной вечно существуют зародыши жизни, которые движутся в космическом пространстве под давлением световых лучей; попадая в сферу притяжения планеты, они оседают на ее поверхности и закладывают на этой планете начало живого». Конструктивно – теоретические возможности панспермии подтверждаются рядом экспериментов: обнаружением следов органических соединений в метеоритном и кометном веществах, предшественников аминокислот в лунном грунте, следов микроорганизмов в метеорите предположительно марсианского происхождения. Очевидно, что эти открытия второй половины XX века будут расширены по мере освоения человеком космического пространства.

Однако в рамках естественнонаучного принципа глобальной эволюции теория стационарного состояния не продуктивна, а теория панспермии так же не предлагает ни какого механизма для объяснения первичного возникновения жизни; она просто переносит проблему возникновения жизни в какое-то другое место Вселенной.

Итак в рамках эволюционных «стрел времени» на основе принципа дополнительности остаются две взаимоисключающие, а возможно дополняющие друг друга, по крайней мере в эстетике мышления, теория креационизма и теория биохимической эволюции. На наш взгляд, в пересечении этих теорий представляется неоправданным как вера в религиозный фанатизм, так и в научный абсолютизм. Нам представляется, что чувство «религиозной веры в высшее, сверхсознательное и преклонения» перед гармонией природы на Земле и в Космосе и убеждения что в «концептуальном фонде (как и в генофонде) Земли» все элементы значимы и важны является основой не только духовной, но и материальной культуры человеческой цивилизации.

В пользу неслучайного характера процесса как зарождения, так и развития жизни говорит антропный принцип, сформулированный в 70-е годы XX века. Его сущность заключается в том, что даже незначительное отклонение значения любой из фундаментальных констант приводит к невозможности появления во Вселенной высокоупорядоченных структур. Например, увеличение постоянной Планка на 10% лишает протон возможности объединиться с нейтроном, то есть становиться невозможным нуклеосинтез. А уменьшение постоянной Планка на 10% привело бы к образованию устойчивого ядра ²He, следствием чего явилось бы выгорание всего водорода на ранних стадиях расширения Вселенной, либо коллапс звезд на более поздних стадиях. Наука столкнулась с большой группой фактов, раздельное рассмотрение которых создает впечатление о необъяснимых совпадениях, граничащих с чудом. (более подробно: Barron J.D., Tipler F.J. The antropic cosmological principle, Oxford, 2-nd., ed., 1986). По мнению ученого-физика Дж. Уилера: «Фактор, дающий жизнь, лежит в центре всего механизма и конструирует мир».

В то же время конструктивно-теоретические модели биохимической эволюции опираются на гипотезу, что жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам. Тем самым мы ставим оправданно или нет законы физики и химии в центр «всего механизма, конструирующего мир».

Схема 54.

Первые три этапа относят к периоду химической эволюции, с четвёртого начинается биологическая эволюция. Представление о химической эволюции подтверждены рядом экспериментов. Начало этой работы было положено в 1953 г. С. Миллером и Г. Юри, которые при воздействии искрового заряда на газовую смесь из метана, и паров воды получили набор малых органических молекул, впервые показав возможность абиогенного синтеза органических соединений в системах, имитирующих предположительный состав первичной земной атмосферы.

Сложные процессы химической эволюции, которая переходит в биохимическую и биологическую эволюцию, могут быть выражены в виде простой последовательности: атомы простые молекулы сложные макромолекулы и ультрамолекулярные системы (пробионты)

одноклеточные организмы.

Первые клетки считаются прообразом всех живых организмов растений, животных, бактерий.

Однако в этом физико-химическом конструировании всего живого естественно присутствует антропный принцип, т.е. вера в неслучайный характер процесса как зарождения, так и развитие жизни на Земле. Кроме того не снимается и возможность пересечения теории биохимической эволюции земной материи с теорией панспермии. Сама теория биохимической эволюции приобрела научный характер теоретического конструирования моделей, подтверждённый экспериментально геохронологической историей Земли только в 20 веке после раскрытия молекулярно-генетического уровня биологического уровня материи и становления эволюционной химии.

Теория биохимической эволюции опирается на понятие абиогенеза – образования органических соединений, распространённых в живой природе вне организма, без участия ферментов.

Все многочисленные гипотезы, которые выдвигались в 60-80-е годы 20 века, имели чётко выраженные противостояние по вопросу о характеристиках протобиологической системы, т. е. доклеточного предка. Проблема состояла в том, что между химической формой материи, которая ещё не жизнь, и биологической формой материи, которая уже есть жизнь, существует предбиотическая структура, связанная с переходом от физико-химической эволюции к биологической. Необходимо было найти некую доклеточную структуру, способную эволюционировать, чтобы она была подвержена генетическим преобразованиям и естественному отбору. В итоге обозначились две гипотезы – коацервантная и генетическая.

Основу коацервантной гипотезы составляет утверждение, что начальные этапы биогенеза были связаны с формированием белковых структур из «первичного океана» благодаря коацервации – самопроизвольному разделению водного раствора полимеров на фазы с различной концентрацией. Основные положения этой гипотезы впервые были сформулированы А. И. Опариным в 1924 году (см.: Опарин А.И. Жизнь, её природа, происхождение и развитие. М., 1968). Отбор как основная причина совершенствования коацервантов до первичных живых существ – важнейшее положение гипотезы Опарина.

В рамках коацервантной гипотезы возник методологический принцип, получивший название голобиоза, т.е. первичности структур типа клеточной, наделенной способностью к элементарному обмену веществ, в том числе и к ферментному катализу.

Однако, если опираться на равновесную термодинамику, то молекулы живых существ не возникают спонтанно, для их образования требуется сложный механизм непрерывного и согласованного действия «нагревателя» и «холодильника» в соответствии со вторым началом термодинамики. Вероятность того, что белковая молекула, состоящая, из аминокислот 20 видов, будет случайно сформирована по определённому образцу равна

Число стоящее в знаменателе, слишком велико, чтобы его можно было охватить разумом. «Вероятность - как утверждает астроном Фрёйд Хойл, вопиюще мала, до того мала, что это было бы немыслимо даже в случае, если вся Вселенная состояла из органического бульона». Однако, если перейти к неравновесной термодинамике, то энтропия излучения S_изл. много больше энтропии вещества S_вещ. (S_изл >> S_вещ.), то вероятность образования упорядоченных структур от кристаллов до белков и нуклеиновых кислот резко возрастает.

Однако, для этого вряд достаточно только естественного отбора, который направлен на очищение генофонда популяции от «бракованных» генов, видоизменение происходит только в рамках существующего генетического материала, как адаптивная реакция на изменение окружающей среды.

Выдвигается на первый план генетическая гипотеза, согласно которой вначале возникли нуклеиновые кислоты как матричная основа синтеза белков. Впервые эту гипотезу выдвинул в 1929 году американский генетик Г. Меллер.

В рамках генетической гипотезы возник методологический принцип, получивший название генобиоза, утверждающий первичность возникновения в результате биохимической эволюции молекулярной системы со свойствами генетического кода.

К естественному отбору добавилась идея дискретного расщепления генетических признаков, в определённой степени опирающаяся на основное положение квантовой механики: «Всё: материя, энергия, квантовые характеристики частиц – выступают дискретными величинами, и нельзя измерить ни одну из них, не изменив её». Генетическая гипотеза связывает теорию биохимической эволюции с глобальным эволюционизмом, а теория происхождения жизни на Земле связывается с верой в существование «сверхрационального, сверхразумного» телеологизма – как присущего всей Вселенной стремления к совершенствованию вплоть до создания «разумного наблюдателя».

В настоящее время генетическая концепция получила широкое признание в результате открытий, сделанных в 80-е годы. Экспериментально было доказано, что несложные нуклеиновые кислоты могут редуплицироваться и без ферментов. Способность нуклеиновых кислот служить матрицами при образовании комплементарных цепей – наиболее убедительный аргумент в пользу представлений о ведущем значении в процессе биогенеза наследственного механизма и , следовательно , в пользу генетической гипотезы происхождения жизни.

К началу 80-х годов XX стало ясно, что первичной из нуклеиновых кислот могла быть только рибонуклеиновая кислота (РНК).

Иными словами, именно молекула РНК могла составить макромолекулярный субстрат доклеточного предка. Решающее открытие относительно роли молекулы РНК в происхождении жизни сводится к следующему. Во первых, это установление способности РНК к саморепродукции в отсутствие белковых ферментов. Во вторых, установление того факта что одна из небольших молекул РНК (рибозин) сама обладает функциями фермента. Наконец, в третьих, было установлено, что РНК обладает автокаталитическими свойствами.

Таким образом, можно считать, что древняя РНК совмещала в себе обе функции: каталитическую и информационно-генетическую, что и обеспечивало возможность саморепродукции макромолекулярного объекта. Иначе говоря, она отвечала всем требованиям механизма эволюции в соединении теории естественного отбора с наследственным (генетическим) дискретным расщеплением признаков (аллельных генов), так и с теорией сцепления неаллельных генов. Это способствовало последующей эволюции макромолекулярной системы на основе РНК в более эффективную с точки зрения синтеза белков макромолекулярную систему на основе ДНК. В процессе такой эволюции в большинстве случаев произошло разделение информационно – генетических и каталитических функций. Особо следует подчеркнуть существенную роль дисимметрии «право-лево» как нуклеиновых, так и белковых молекул, происхождение которой имеет много гипотез и пока не имеет экспериментального обоснования. Не исключено, что возникновение такой дисимметрии имело столь же глубокие последствия для происхождения жизни, как и возникновение барион-антибарионной дисимметрии для эволюции Вселенной.

Проблема состоит и в том, является ли время и место действия - Земля около 4,5 млрд. лет назад - уникальной ареной для биохимической эволюции. Или этот процесс происходил и происходит стихийно и в тоже время на основе “сверхрационального, сверхразумного” телеологизма в различных частях космического пространства, а Земля лишь предоставила благоприятные условия для развития уже возникшей жизни .

Переходя на онтогенетический (организменный) уровень живой природы, структурным признаком живого организма, начиная с 1940-х годов, считается клетка – завод жизни. Иными словами, наинизшим объектом живой природы признаётся клетка либо как самостоятельный одноклеточный организм, либо как автономная часть многоклеточного организма. Доклеточные формы жизни – вирусы – занимают промежуточное место между живым и неживым.

Только в начале 60-х годов XX века появилась генетическая концепция клеточной организации живой материи позволившая дискретно разделить всё живое на два надцарства – прокариоты и эукариоты. Наиболее принципиальные различия двух типов организмов касается характера организации и репликации на генетическом уровне; структуры аппарата, синтезирующего белки; характера «пусковых» механизмов биосинтеза белка; структуры молекулы РНК; организации и характера фотосинтезирующего аппарата и т.п. При этом ни прокариоты, ни эукариоты не имеют определённых эволюционных преимуществ. Это позволяет предложить, что оба эти типа организмов происходят от общего предка, или археклетки, совмещающей в себе черты прокариотов и эукариотов.

В 1970-е годы эта точка зрения получила серьёзное подтверждение благодаря открытию архебактерий, которые будучи прокариотами по типу организации генетического аппарата, имеют признаки, сближающие их с эукариотами. Наиболее популярна в настоящее время симбиотическая гипотеза, согласно которой эукариотная клетка – результат симбиоза нескольких прокариотных клеток.

Важной концепцией функционирования живой природы на онтогенетическом уровне является её функциональная системность. Согласно этой концепции, функциональная системность обусловлена тем, что компоненты систем не только взаимодействуют, но и взаимосодействуют.

Концепция функциональной системности универсальна на всех структурных уровнях живой природы. Она основана на взаимосодействии мутационного ( генетически наследственного расщепления альтернативных признаков (аллельных генов) и сцепления неаллельных генов в генетике пола) отбора с естественным отбором, когда процессы на низших уровнях как бы организуются функциональными связями на высших уровнях, а часть специализированными аппаратами регуляции (гомеостаза), как, например, гормональными и первыми системами в организме животных.

Концепция функциональной системности могла появиться на молекулярно-генетическом уровне и в виде симбиоза методологических принципов голобиоза и генобиоза.

Такой подход в определённой степени снимает проблему первичности белка или ДНК / РНК в возникновении пробионтов. Считается, что жизнь эволюционировала на базе динамичной игры малых молекул (органических и неорганических) и первые биополимеры могли быть результатом автокаталитических реакций малых молекул в дождевых каплях, озарённых ультрафиолетом первобытного Солнца. Однако, возникает проблема дозревания этих капель в коацервантные капли в соответствие с опаринским сценарием «первичного бульона» или в первичные двухцепочные РНК в соответствие с генетической гипотезой и последующем их симбиозе в археклетку.

На наш взгляд, если исходить из выдвинутой Н.В. Тимофеевым-Ресовским аксиомы, что эволюция живой природы принципиально непредсказуема, то эта аксиома указывает на достаточно трудный путь исследования происхождения жизни на Земле и антропологического исследования родословной человека, что, на наш взгляд, приводит к пересечению, по крайней мере, трёх теорий (концепций), а именно естественнонаучной концепции биохимической эволюции с концепциями панспермии и креационизма с опорой на антропный принцип и принцип глобального эволюционизма.