Гипотезы происхождения жизни
Наука испытывает серьезные трудности не только с определением сущности жизни, но и с проблемой ее происхождения. Общепризнанной научной теории происхождения жизни не существует, хотя попытки ее создания предпринимались учеными на протяжении многих веков. Имеются следующие гипотезы:
1. Концепция вечной жизни (или стационарного состояния). Если допустить, что жизнь существовала всегда, то вопрос о начале не возникает.
2. Креационизм (лат. сreatio – созидание). Согласно религиозным учениям Вселенная и все живые существа в ней сотворены Богом. Наука отвергает эту идею, но опровергнуть ее не в состоянии.
3. Самозарождение. Эта версия появилась в качестве альтернативы креационизму еще в античную эпоху, так как повседневные наблюдения показывали, что в мусорных кучах постоянно появляются личинки, мухи, черви и т.п. Считалось, что все низшие организмы появляются путем самозарождения. Таких взглядов придерживались Аристотель, Парацельс, Коперник, Галилей, Гете, Декарт и др. Их авторитет во многом определил длительный срок существования этой концепции и ее широкое распространение. Серьезный удар по ней нанес в 1688 году итальянский врач Франческо Реди, экспериментально доказав, что маленькие белые червячки, появляющиеся на гниющем мясе, – это личинки мух. Его вывод о том, что живое возникает только из живого, был подтвержден в XIX в. опытами Л.Пастера и утвердился в биологии как принцип Реди, или концепция биогенеза.
4. Внеземное происхождение. Предполагается, что жизнь занесена на Землю из других областей Вселенной в виде неких семян (идея панспермии) или же в лице пришельцев из других цивилизаций. Этой концепции придерживались С. Аррениус, Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский, что способствовало ее широкому распространению среди ученых. Довольно большое число сторонников имеет она и в наши дни. Так, спектральный анализ излучений, приходящих из дальнего космоса, позволил обнаружить в межзвездном пространстве более 130 видов различных молекулярных соединений; в 2002 г. были получены неопровержимые доказательства наличия глицина (простейшей аминокислоты) в газопылевых облаках. Эти и подобные им факты рассматриваются некоторыми учеными как косвенное подтверждение того, что химические процессы, необходимые для возникновения жизни, не уникальны и не связаны исключительно с земными условиями, а могут происходить и в космическом пространстве. Тем не менее, убедительных аргументов в пользу концепции панспермии нет. Зато есть серьезные доводы против нее: считается, что живые организмы не могут не погибнуть под действием ультрафиолетовых и космических лучей. Кроме того, все существующие варианты этой концепции все равно не решают проблемы происхождения жизни, а лишь выносят ее за пределы Земли.
5. Биохимическая эволюция (концепция абиогенеза). В 1924 г. русский ученый А.И. Опарин выдвинул гипотезу, согласно которой живые организмы возникли из неорганических веществ в процессе длительной эволюции. Возраст Земли, согласно современным данным, составляет около 4,6 млрд лет, и долгое время условия на ней сильно отличались от современных. Температура поверхности была очень высокой, атмосфера состояла из тяжелых газов (аммиак, метан, диоксид углерода, пары воды). Отсутствие кислорода способствовало образованию углеводородов. В «первичном бульоне» из неорганических веществ под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых излучений могли образоваться сначала простые органические вещества, а затем и более сложные: аминокислоты, нуклеотиды и их полимеры – белки и нуклеиновые кислоты. Они накапливались в «первичном бульоне», образуя коллоидные системы (коацерваты), которые и стали предками живых организмов на Земле. Считается, что первые живые организмы долгое время существовали только в водах первичного океана, были прокариотами, анаэробами и гетеротрофами. Около 600 млн лет назад наступила эра эукариотов (организмов с оформленным клеточным ядром и кислородным дыханием). Некоторые этапы такой эволюции воспроизводятся в экспериментах. Например, С. Миллер в 1951 г. были смоделированы условия, существовавшие на раннем этапе развития Земли, и получены из смеси неорганических веществ (СН4, Н2, NH3, Н2О) аминокислоты, сахара и другие органические соединения. Но качественный скачок от неживого к живому по прежнему остается загадкой.
Современное состояние исследований. В настоящее время центральной проблемой в вопросе происхождения жизни является описание эволюции механизма наследственности. Ведь жизнь возникла тогда, когда начал действовать механизм воспроизводства. Трудность здесь заключается в том, что для репродукции нуклеиновых кислот (основы генетического кода) необходимы ферментные белки, а для синтеза белков – нуклеиновые кислоты. На протяжении XX в. ученые вели дискуссию о том, что возникло раньше – белки (концепция голобиоза) или нуклеиновые кислоты (концепция генобиоза) и когда произошло их объединение в единую систему. Конечно, проще всего было бы предложить, что они возникли одновременно, после чего началась их совместная коэволюция. Но этот вариант не получил признания ученых, так как белковые и нуклеиновые макромолекулы структурно и функционально глубоко различны. В силу этого они не могли появиться одновременно.
Согласно концепции голобиоза считается, что сначала в первичном океане или в сырых местах суши случайно образовались молекулы аминокислот, затем эти молекулы сгруппировались в сгустки, и в этих сгустках начался процесс формирования белков. По расчетам вероятность образования одной белковой молекулы в таком процессе всего 10-325. И при этом белок получился бы биологически неактивным. Дело в том, что биологически активные белки содержат аминокислоты исключительно левого вращения, а химические законы могут давать лишь смеси правых и левых форм в случайных пропорциях. Трудно себе представить, чтобы аминокислоты левого вращения сами по себе сбивались в большие кучи (отдельно от правых форм) и формировали белки.
Некоторые ученые утверждали, что им все-таки удалось синтезировать белки из смеси аминокислот. Но реально было получено лишь некое отдаленное подобие белков, так называемые протеноиды, состоящие из полимерной сетки аминокислот с непептидными связями. Полимерная сетка не обладала пространственной структурой белка, не имела свойственной ему совершенно определенной последовательности соединения молекул и соответственно не имела никакого отношения к жизни.
К началу 80-х гг. чаша весов стала склоняться в пользу концепции генобиоза. Было обнаружено уникальное свойство молекул РНК – способность воспроизводиться в отсутствие белковых ферментов. Таким образом, сегодня считается, что доклеточным предком являлась молекула РНК и процесс эволюции шел от РНК к белку, а затем к образованию молекулы ДНК.
Однако концепция генобиоза тоже имеет ряд недостатков. В 1986 г. состоялась встреча Международного общества по изучению возникновения жизни, на которой присутствовали около 300 ведущих исследователей. Учеными было доказано, что синтез РНК в условиях первичного океана абсолютно невозможен. Более того, оказался невозможным даже синтез рибозы – более простой составляющей РНК.
Даже если биологическая макромолекула откуда-то появилась – это еще не живая клетка. В состав клетки входит множество макромолекул, соединенных в определенном порядке. В процессе воспроизведения участвует ДНК, информационная РНК, 20 различных транспортных РНК, каждая со своей аминокислотой, рибосомы, состоящие из 3 рибосомных РНК и 55 различных молекул белка, целый комплекс ферментов. Известный астрофизик Фред Хойл подсчитал вероятность случайного образования ферментов необходимых живой клетке хотя бы один раз за миллиард лет. Получилась величина 10-40 000. Помимо ферментов в клетке есть еще более сложные образования. Вероятность самосборки клетки из приготовленных и сложенных «в кучку» необходимых атомов даже в самой благоприятной химической среде составляет 10-100 000 000 000. Попытаемся осознать, что значат эти чудовищно малые вероятности. Может ли обезьяна, шлепая по клавишам, случайно набрать «Войну и мир»? Как говорит математика, может, но вероятность такого события очень мала, примерно 10-5 000 000. Выходит, ожидая случайного появления одной простейшей клетки, мы надеемся на то, что обезьяне удастся 20 000 раз подряд без единой ошибки набрать «Войну и мир».
В 1990-е гг. появился еще ряд версий, в соответствии с которыми жизнь могла появиться в геотермальных источниках на морском дне, в тонких пленках органического вещества, адсорбированного на поверхности кристаллов пирита или апатитов. Появление этих гипотез вызвано недостатками концепции генобиоза, но они еще не получили достаточного обоснования и развития.
«Происхождение жизни – чудо, но это свидетельствует только о нашем незнании», - сказал в 1971 г. нобелевский лауреат Ф. Крик, один из первооткрывателей структуры ДНК. Ограниченность наших знаний относится не только к сложной материальной структуре и функции живого, имеется еще «духовная» составляющая, которая превосходит первую по сложности и важности для жизнедеятельности организма. Прежняя научная парадигма, не включающая душевной и духовной составляющих, оказалась не в состоянии объяснить феномен жизни. Видимо, чтобы постичь ее смысл, нужно взглянуть на нее в более крупном масштабе, представляя Живое лишь этапом на пути к Мыслящему и Духовному.
Эволюционное учение
Учение о причинах, движущих силах и закономерностях эволюции занимает одно из центральных мест в системе наук о природе. Под эволюцией в биологии понимают процесс развития жизни от одноклеточных простейших организмов до сложных многоклеточных растений и животных.
Идея эволюции давно привлекала внимание ученых. Уже в античности Аристотель сформулировал представление о постепенном и непрерывном развитии живого («лестнице природы»). В Средние века доминировала идея о неизменности созданного Богом мира, в том числе и всех видов растений и животных. Сам термин «эволюция» был введен в научный обиход швейцарским биологом Ш. Бонне в 1762 г. Бонне понимал под этим термином процесс длительного, постепенного изменения, приводящего к появлению новых видов. Первая попытка построения целостной концепции развития органического мира была сделана французским ученым Ж.Б. Ламарком («Философия зоологии», 1809 г.). В основу его теории, опиравшейся на экспериментальные данные, было положено представление о развитии, постепенном и медленном, от простых форм к сложным и о роли внешней среды в преобразовании организмов. Ламарк считал, что первые зародившиеся организмы дали начало всему многообразию существующих растений и животных. Главной причиной эволюции, по его мнению, было присущее живой природе стремление к самосовершенствованию и усложнению. Вторым фактором он называл влияние внешней среды, заставляющее упражнять и развивать соответствующие органы. Ламарк полагал, что изменения этих органов передаются по наследству. При этом потомство продолжает развиваться в том же направлении, и один вид превращается в другой.
В 1859 г. вышла в свет знаменитая книга Ч. Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора». Обобщив отдельные эволюционные идеи и материалы собственных наблюдений, Дарвин представил развернутую теорию эволюции, являющуюся основой современного эволюционного учения. Согласно его концепции эволюция осуществляется в результате взаимодействия трех основных факторов: изменчивости, наследственности и естественного отбора. Благодаря изменчивости разные особи в борьбе за существование оказываются в неравном положении. Особи, наиболее приспособленные к условиям внешней среды, имеют больше шансов выжить в результате естественного отбора и оставить потомство т.е. передать полезные признаки по наследству. Эти признаки постепенно распространяются в популяции, и тем самым естественным отбором формируются виды, приспособленные к измененным внешним условиям.
О механизме наследования приобретенных признаков Дарвин высказывался очень неопределенно. Он считал, что эволюция имеет непрерывный характер («природа не делает скачков»). Между тем в палеонтологических рядах отсутствуют многие промежуточные, переходные формы от одного биологического вида к другому. В связи с этим теория Дарвина никогда не испытывала недостатка в оппонентах. В дальнейшем она подверглась значительным уточнениям, дополнениям и исправлениям.
Особую роль в последующем развитии эволюционного учения (неодарвинизма) сыграла генетика (наука о наследственности и изменчивости живых организмов). Механизм наследования приобретенных признаков был объяснен с помощью ее законов. В популяции постепенно в процессе естественного отбора накапливаются полезные признаки, которые в форме генов передаются последующим поколениям, т.е. наследуются не сами признаки, а геномы. Генофонд популяции изменяется под влиянием условий среды. Причиной наследственной изменчивости являются мутации и рекомбинации генов. Естественный отбор приводит к избирательному воспроизведению наиболее удачных генотипов и накоплению полезных изменений в популяции, определяя направление ее эволюции.
В синтетической теории эволюции (СТЭ), созданной в 30-е гг. ХХ столетия С.С. Четвериковым и другими учеными, было введено понятие о микроэволюции (изменения в пределах популяции, приводящие к образованию новых видов и доступные непосредственному наблюдению) и макроэволюции (образование надвидовых таксонов – семейств, отрядов и т.д. – происходящее в течение длительного исторического периода). Было доказано, что отбору подвергаются не отдельные признаки, а генотип всей популяции. Элементарной единицей эволюции считается не вид, как у Дарвина, и не особь, как у Ламарка, а популяция. В работах А.В. Яблокова, Н.В. Тимофеева-Ресовского и др. установлено, что для возникновения стойких эволюционных сдвигов требуется не менее четырех факторов: мутации, колебания численности особей (популяционные волны), изоляция и естественный отбор. Главным движущим фактором эволюции признается естественный отбор. Мутационный процесс является поставщиком элементарного эволюционного материала, необходимого для изменения генотипического состава популяции. Популяционные волны изменяют частоту генов в популяциях, приводя к снижению наследственной изменчивости и уменьшению разнообразия генотипов. Изоляция, нарушая свободное скрещивание, закрепляет возникшие под действием отбора или случайно различия генотипов в изолированных частях популяции. Сами эволюционные изменения случайны и ненаправленны, но общий ход эволюции задается исходной структурой популяции и изменениями окружающей среды.
Известны три формы естественного отбора: движущий отбор (возникновение новых генотипов и изменение генофонда популяции как единого целого, без дивергенции дочерних форм); стабилизирующий отбор (сохранение оптимального для данных условий фенотипа); дизруптивный отбор (возникновение внутри популяции отчетливо различающихся форм, из которых в случае изоляции могут образоваться новые виды).
В настоящее время нет твердо установленных законов эволюции. Есть подкрепленные фактами гипотезы. Эволюцию в прошлом подтверждают данные палеонтологии, биогеографии, сравнительной эмбриологии, селекции. Популяции макромолекул можно заставить развиваться в желаемую сторону, проводя циклы мутаций и селекции. Один из основателей сравнительной эмбриологии К.Бэр обнаружил сходство в развитии зародышей всех групп позвоночных на ранних этапах развития, а Э.Геккель высказал мысль о том, что стадии эмбрионального развития организма повторят эволюционную историю его вида. На основании этого был сделан вывод о наличии у позвоночных общего предка. Собран обширный палеонтологический материал. И хотя одних ископаемых останков недостаточно для обоснования теории эволюции, они подтверждают факт прогрессивного возрастания сложности организмов.
Тем не менее эволюционное учение, как и во времена Дарвина, является предметом оживленных споров. Доводы против теории эволюции не беспочвенны. Во-первых, попытки создания с помощью селекции новых видов растений и животных оказались безрезультатными. Биологические виды на редкость консервативны. Опыты по скрещиванию различных видов растений и животных показывают, что гибриды неустойчивы и видовые признаки расходятся во втором и последующих поколениях. Во-вторых, мутации случайны. Для того чтобы мутация была благоприятной, необходимо чудесное совпадение – синхронное полезное нарушение сразу целого набора генов. Если бы природа эволюционировала по принципу «выживает сильнейший и приспособленнейший мутант», мир был бы переполнен кошмарными существами, а геологические слои содержали бы множество всяких уродов в гораздо большем количестве, чем нормальных существ. В-третьих, в борьбе за существование простые формы часто имеют преимущества перед сложными. Простейшие организмы вряд ли можно считать менее приспособленными к жизни, чем высокоорганизованные. Если выживает самый приспособленный, то на Земле и жили бы одни «приспособленцы» – простейшие организмы. Естественным отбором трудно объяснить разнообразие столь сложных организмов, которое мы наблюдаем сегодня.
В связи с этим существует множество альтернативных теорий эволюции, отрицающих созидательную роль естественного отбора. Например, сторонники сальтационизма считают, что все крупнейшие эволюционные изменения происходят путем крупных, скачкообразных макромуаций (сальтаций), и новые виды образуются вне действия естественного отбора.
Согласно еще одной концепции – пунктуализма – эволюция осуществляется по типу «прерывистого равновесия»: долгое время виды могут практически не изменяться, но в результате крупной мутации или резкого изменения условий среды меняется генофонд популяции и достаточно быстро появляется новый вид. Гипотеза прерывистой эволюции объясняет отсутствие непрерывного развития в ископаемых останках (промежуточных форм). Видообразование может происходить разными способами – и постепенно, и скачкообразно. На эволюционный процесс могли влиять оледенения, дрейф континентов, падения метеоритов, изменения магнитного поля Земли, вспышки на Солнце и т. д. По научным данным большинство важнейших эволюционных преобразований совершилось довольно внезапно около 600 млн лет назад (кембрийский взрыв видообразования). Все виды животных возникли практически одновременно (за 60 млн лет). Потом скорость видообразования резко упала.
Таким образом, проблема эволюции жизни принадлежит к числу активно изучаемых, но пока не решенных вопросов. В целом формирование и развитие биосферы предстает как чередование этапов эволюции, прерываемых скачкообразными переходами в качественно новые состояния. Этот процесс сопровождался усложнением живых организмов и экосистем, нарастанием биоразнообразия. Крупнейшими ароморфозами в эволюции биосферы являются: появление простейших организмов-прокариотов; возникновение фотосинтеза и более сложноорганизованных эукариотов; объединение клеток-эукариотов с образованием многоклеточных организмов; дифференциация клеток и появление высших организмов; возникновение у высших животных развитой нервной системы и формирование мозга; появление разума как высшей формы деятельности мозга; возникновение человеческого общества. В развитии Земли на смену физической, химической и геолого-биологической эволюции пришел этап социальной эволюции, вызвавший самые большие перемены в биосфере и облике нашей планеты.