Определение жизни на современном этапе развития науки
Довольно трудно дать полное и однозначное определение понятию жизни, учитывая то что это философская категория и это явление имеет огромное разнообразие проявлений.
В большинстве определений понятия жизни, которые давались многими учеными и мыслителями на протяжении веков, учитывались ведущие качества, отличающие живое от неживого.
Например, Аристотель говорил, что жизнь – это «питание, рост и одряхление» организма;
А. Л. Лавуазье определял жизнь как «химическую функцию»;
Г. Р. Тревиранус считал, что жизнь есть «стойкое единообразие процессов при различии внешних влияний».
Ф. Энгельс в «Диалектике природы» писал: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является обмен веществом и энергией с окружающей средой».
А. И. Опарин определял жизнь как «особую, очень сложную форму движения материи». Это определение отражает качественное своеобразие жизни, которое нельзя свести к простым химическим или физическим закономерностям. Однако и в этом случае определение носит общий характер и не раскрывает конкретного своеобразия этого движения.
Понятно, что такие определения не могли удовлетворить ученых, так как не отражали (и не могли отражать) всех свойств живой материи. Кроме того, наблюдения свидетельствуют, что свойства живого не исключительны и уникальны, как это казалось раньше, они по отдельности обнаруживаются и среди неживых объектов.
Для практического применения полезны те определения, в которых заложены основные свойства, в обязательном порядке присущие всем живым формам.
Вот одно из них: жизнь – это макромолекулярная открытая система, которой свойственны иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, самосохранению и саморегуляции, обмен веществ, тонко регулируемый поток энергии. Согласно данному определению жизнь представляет собой ядро упорядоченности, распространяющееся в менее упорядоченной Вселенной.
Жизнь существует в форме открытых систем. Это означает, что любая живая форма не замкнута только на себе, но постоянно обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией.
Основные постулаты:
1 – жизнь-результат длительной, предшествующей физической и химической эволюции материи;
2 – жизнь не занесена на Землю извне, не возникла в результате самопроизвольного зарождения, а возникла эндогенно???.
Аксиомы жизни:
1. Нейман, Винер. Все живые организмы должны состоять из фенотипа и программы для его формирования – генотипа, передающихся по наследству из поколения в поколение. Наследуются не структуры, а описание структуры и инструкция по ее изготовлению. Жизнь на основе только одного генотипа или фенотипа невозможна, так как при этом нельзя обеспечить ни самовоспроизведения структуры, ни ее самоподдержания.
2. Кольцов Н.К. Генетические программы не возникают заново, а реализуются матричным способом. В качестве матрицы, на основе которой строится ген нового поколения используется ген предыдущего поколения.
3. В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате многих причин изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно эти изменения оказываются приспособительными.
4. Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипов многократно усиливаются и подвергаются отбору условиями внешней среды.
Вывод: жизнь это матричное копирование с последующей самообработкой копий.
Физический этапэволюции Земли
Физикализм Пригожина: сведение всего многообразия реальности лишь к закономерностям физического типа. Истинность положений любой науки определяется ее соответствием законам физики. В философском смысле – этот феномен квалифицируется как редукционизм, то есть сведение сложного к простому, высшего к низшему.
Большой взрыв (14-17 млрд.лет), образование элементарных частиц и атомов.
В 1922 г. советский математик и геофизик Александр Александрович Фридман нашел решение уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Оказалось, что решение является нестационарным, то есть Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил разбегание галактик, что свидетельствовало о расширении Вселенной. Обращая мысленно вспять картину расширения Вселенной, ученые пришли к выводу что примерно 20 млрд лет назад Вселенная была сжатой в точку и имела сколько угодно большую плотность. В результате Большого взрыва она начала расширяться, иначе говоря существовать. Ученые смогли восстановить картину развития Вселенной с малых долей первой секунды после Большого взрыва, но никто не знает ни причин, вызвавших взрыв, ни то, что было до него. "Теория Большого взрыва в настоящее время столь надежно установлена и верна, сколько верно то, что Земля вращается вокруг Солнца", - констатировал академик, советский физик-теоретик Зельдович в 1982 г. на международном конгрессе. Спустя 15 млрд лет после Большого взрыва, то есть примерно 5 млрд лет назад, сформировалась планета Земля как космическое тело.
«Горячая» и «Холодные» гипотезы формирования Земли.
Формирование основных параметров Вселенной (пространство, время, физические параметры).
Канализация Вселенной как необходимая предпосылка дальнейшей химической и биологической эволюции, а также антропогенеза («сильный антропогенный принцип»). Преобладание в ионной Вселенной атомов Н и Не.
Последующий термоядерный синтез более сложных элементов на их основе, а также простейших соединений.
Формирование геосфер и их особенности в структуре протопланеты и планеты. Концентрация в первичной атмосфере газов (результат взаимодействия химических соединений, газов из космоса), павров воды и простейших органических соединений (начало абиогенного синтеза).
Остывание Земли, конденсация паров воды, формирование первичной гидросферы с растворенной органикой (первичный бульон).
Химический этап предбиологической эволюции (гипотеза Опарина-Холдейна). Происхождение жизни. Условия, необходимые для происхождения жизни.
Распространено ошибочное мнение, что Пастер опроверг теорию самопроизвольного зарождения жизни. Сам Пастер высказался так, что его 20-летние безуспешные попытки выявить хотя бы один случай самопроизвольного зарождения жизни не убедили его в том, что самопроизвольное самозарождение жизни невозможно. Фактически он доказал, что жизнь в его колбах за то время что длился опыт (и в тех условиях, что для этого были выбраны: стерильная питательная среда, чистый воздух) – действительно не зарождалась.
Однако, он вовсе не доказал, что жизнь не могла возникнуть из неживой материи никогда, ни при каких условиях.
В наше время ученые предполагают, что жизнь возникла из неживой материи, но только в условиях, резко отличающихся от нынешних, и на протяжении периода, длившегося сотни миллионов лет.
Многие, вообще допускают, что появление жизни было обязательным этапом эволюции материи и могло происходить неоднократно и в разных частях Вселенной.
При каких же условиях могла возникнуть жизнь?
Вероятно таких главных условий – четыре:
- наличие определенных химических веществ;
- наличие энергии;
- отсутствие газообразного кислорода;
- и безграничный промежуток времени
1. Время.
При наличии фермента, то или иное превращение данного количества вещества завершается за несколько секунд, а в отсутствие ферментативных ускорителей реакций – на такое превращение необходимо, возможно, миллионы лет.
На этапе отсутствия ферментов химические реакции могли ускоряться в присутствии источников энергии, или других катализаторов, но все же они протекали чрезвычайно медленно.
Значит, мы должны оценить вероятность того, что после появления простых органических молекул, сколько могло потребоваться времени для появления более крупных и сложных структур.
Вероятность событий от которых зависело возникновение жизни можно приблизительно оценить в 0,001 или может быть и гораздо ниже.
Но зато времени для этого было неизмеримо больше. Земля, как полагают сформировалась 4,6 млрд. лет тому назад, а первые остатки прокариотических клеток обнаружены в горных породах возрастом 1,1 млрд лет от ее возникновения.
Таблица вероятности того, что данное явление не произойдет в течение одного года 0,999
| Для 2-х лет | 0,998 |
| Для 3-х лет | 0,997 |
| Для 4-х лет | 0,996 |
| 0,359 | |
| 0,129 | |
| 0,017 | |
| 0,000276 |
2. Отсутствие газообразного кислорода.
Чем опасен газообразный кислород?
Он быстро разрушает органику (пример: с возникновением в эволюции сапрофитных грибов, прекратилось образование залежей каменного угля).
То есть, наличие газообразного кислорода в атмосфере, – не позволило бы преобразоваться простым органическим молекулам в более сложные, а затем, и в скопления таких молекул!
Возможно, именно в этом и кроется причина невозможности самопроизвольного зарождения жизни в современных условиях.
Геологические данные подтверждают отсутствие газообразного кислорода в атмосфере Земли, в период, когда происходило образование древнейших геологических пород на Земле.
Другое косвенное подтверждение об отсутствии газообразного кислорода – в истории и строении других планет Солнечной системы. Атмосфера Юпитера и Сатурна главным образом состоят из газообразного водорода, аммиака и воды.
Вероятно в период зарождения жизни на Земле ее атмосфера состояла из водяных паров (главным образом), двуокиси углерода и газообразного азота, с небольшой примесью других газов, но при полном отсутствии газообразного кислорода.
На современном этапе развития биосферы – 21% газообразного кислорода в атмосфере – это побочная продукция фотосинтеза за счет живых растений.
Поиски истоков жизни
1. 1924 г. Александр Опарин – теория коацерватов.
Согласно его теории процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделён на три этапа:
· Возникновение органических веществ
· Возникновение белков
· Возникновение белковых тел
2. 1929 г. Холдейн – дополнение к теории Опарина.
1953 г. Стенли Миллер – аппарат Миллера, моделирующий условия прото Земли. При отсутствии газообразного кислорода – Миллер и его последователи получили широкий спектр органических соединений. Моделирование этих процессов (Миллер, Бреслер, Оро). Полимеризация, образование критической массы, случайное чередование мономеров.
3. Сидней Фокс – получил из сухой смеси аминокислот – протеиноиды (белковоподобные вещества), некоторые из них имели свойства, подобные ферментам. На первобытной Земле такие соединения могли образоваться в лужах после отлива. Протеиноиды – нестабильны в присутствии воды. Дальнейший синтез органики в гидросфере (источник энергии: тепло Земли, электрические разряды атмосферы, космические излучения ввиду отсутствия озонового экрана). Роль катализаторов неорганической природы (пемза, каолин) и свертывание пространства в них. Формирование мономеров (аминокислот, моно- и полинуклеотидов.
4. Образование агрегатов (коацерватов)
Возникновение надмолекулярных структур. Особенности коацерватов как физико-химических структур. Случайность дробления, слияния, переход в раствор и т.д., т.к. они негомеостатичны. Формирование поточных систем протобионтов.
Образование полупроницаемых (сольватных эндокристаллических) мембран. Взаимодействия химических соединений внутри системы, избирательность выведения продуктов химических реакций.
Формирование потока вещества как одной из основ гомеостаза.
Начало «предбиологического естественного отбора». Преимущества в ходе этого отбора систем с наличием большого количества энергетически насыщенных соединений (АТФ и др.). Формирование потока энергии и её трансформация.
Соответствие нуклеиновых кислот характеру белков ферментов, что является одной из основ гомеостаза. При несоответствии – основа формирования вирусов.
В 80 гг. эта дискуссия стала известна как противостояние двух концепций трактующих характер доклеточного предка как – информационно-генетический или субстратный (обменно-метаболический).
По гипотезе Опарина в точном соответствии с теорией химической эволюции зарождение жизни произошло на основе добиологической основы (абиогенного происхождения), как закономерный результат плавного перехода химической эволюции в биологическую. Основные положения гипотезы Опарина можно проверить экспериментально, даже получить коацерваты, которые по гипотезе Опарина имитируют доклеточного предка жизни и его функциональные особенности.
Слабым местом гипотезы Опарина является то, что основные ее теоретические положения носят теоретический характер: например,
а) положение о возможности самовоспроизведения этих доклеточных структур при отсутствии в них генетического кода;
б) вовлечение в метаболические процессы «готовых ферментов», находящихся во внешней среде.
Итог: мы видим, что самым слабым положениям гипотезы Опарина является то, что, очень трудно представить каким образом после того как доклеточный предок приобрел способность к обмену веществ произошло приобретение им генетической программы.
В гипотезе генобиоза, основное положение которой заключается в том, что первоначально доклеточный предок представлял собой только нуклеиновую кислоту, слабым местом является то, что в современных условиях репродукция нуклеиновых молекул невозможна без ферментных белковых систем.
Значит, суть проблемы заключается в том:
а) что было первичным белковые молекулы или нуклеиновые кислоты;
б) если оба класса биополимеров возникли не одновременно, то на каком этапе все таки произошло их объединение в единую систему, способную к функциям передачи генетической информации и регуляции биосинтеза белков.
М. Зиген (1970-1980) предложил компромиссную гипотезу, суть которой заключается в симбиотическом объединении между биоидами (белковыми протобионтами) и информационным субстратом в виде нуклеиновых кислот. Но, есть аргументы против:
- глубокие структурные и функциональные отличия между информационными и метаболическими структурами;
- невозможность одновременного появления обеих структур в ходе химической эволюции;
- нереальность совместного сосуществования в протобиологической структуре.
Рассмотрим основные положения гипотезы генобиоза Дж. Холдейна, позиции которой стали доминирующими в 1970 гг.
- прародительница всего живого первичная информационная нуклеотидная последовательность была действительно «голой», так как она не была соединена с протеинами;
- эта молекула сама была способна к самовоспроизведению в отсутствие белков;
Что же это за молекулы? В рамках гипотезы хиральности (ассиметрии всего живого) это скорее всего были либо молекулы ДНК либо молекулы РНК.
Теперь мы получили противоречие с центральным положением (догмой) молекулярной биологии о направлении потока информации в живых системах: ДНК –→ РНК –→БЕЛОК.
Как могла функционировать протогенетическая полинуклеотидная система, если в отсутствие ферментов (белков), если допустить, что белки появились вторично.
Ответ на этот вопрос был получен в 80 гг. когда открылся мир РНК.
Скорее всего, первичной молекулой, которая появилась у протобионта (доклеточного предка) была молекула не ДНК, а РНК.
Во-первых, Д. Балтимором и Т. Теминым был открыт фермент обратная транскриптаза (ревертаза), который катализирует реакцию синтеза на молекуле РНК молекулы ДНК у РНК-содержащих вирусов.
Во-вторых, в 1977 г. было открыто явление способности РНК аденовирусов к процесингу и сплайсингу.
Окончательно проблема РНК была решена после двух важнейших открытий:
- в начале 1980 гг. было установлено, что РНК способна к саморепродукции в отсутствие белковых ферментов. Это было установлено Спилнгельманом у бактериофага Ку-бета (этот бактериофаг способен к самовоспроизведениюв условиях ин-витро в среде, содержащей нуклеотиды, за счет ревертазы, находящеся в геноме этого вируса). Геном этого вируса -реликтовая современная модель доклеточного предка, эволюция которого шла по пути превращения в современный ДНК=овый геном и утраты им самостоятельных каталитических функций.
- открытие рибозима – молекулы РНК, способной к каталитическому вырезанию интронов из предшественников транспортных РНК. Рибозим характерен и для прокариот и для эукариот.
На этом основании было высказано предположение о том, что самой древней молекулой РНК была тРНК.
СПИРИН А.С.