Концепции происхождения жизни на Земле

Условно можно выделить следующие концепции, объясняющие происхождение жизни на Земле:

1. Концепция креационизма – божественного сотворения живого. Данная концепция относится, вероятно, к числу первых, зародившихся еще на заре человечества. Особого распространения концепция креационизма достигла в эпоху Средневековья. Представление о природе в этот период опиралось прежде всего на ветхозаветное сказание о сотворении мира; во всех явлениях природы видели проявление божественного промысла. Но и в настоящее время это учение не потеряло своих сторонников.

2. Концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества. В Древнем Египте существовало убеждение, что лягушки, жабы, змеи и даже крокодилы рождаются из слоя ила, который остается после разливов Нила. В Древнем Китае считали, что тля возникает на молодых побегах бамбука. Убеждение в спонтанном зарождении живых существ из неживых материалов было воспринято философами Древней Греции и Рима как нечто само собой разумеющееся. Самозарождение воспринимали как очевидный, постоянно наблюдаемый в природе факт. Аристотель подвел под эти «факты» определенное теоретическое толкование, рассматривая внезапное появление живых существ как результат воздействия некоего духовного начала на безжизненную, косную материю.

В Средние века Я. ван Гельмонт, голландский естествоиспытатель, предложил способ получения мышей, согласно которому, если открытый кувшин набить нижним бельем, загрязненным потом, и добавить туда некоторое количество пшеницы, то приблизительно через три недели появляется мышь, «поскольку закваска, находившаяся в белье, проникает через пшеничную шелуху и превращает пшеницу в мышь».

Развитие науки в эпоху Возрождения с ее экспериментальным подходом к изучению явлений природы поставило на повестку дня пересмотр с новых позиций идеи самозарождения живых существ. Итальянский врач Ф. Реди (1626 — 1698) решил проверить, действительно ли, как это всеми считалось, «черви» (личинки мух) зарождаются из гниющего мяса. Для этого он уложил мясо в три банки, одну из которых оставил открытой, вторую крыл тонкой марлей, а третью — пергаментом. Все три куска мяса начали гнить, но «черви» появились только в открытой банке. Этим простым экспериментом Реди показал, что «черви» не возникли из гниющего мяса, а появились лишь там, где мухи могли откладывать яйца непосредственно на мясо. Опыты Ф. Реди серьезно поколебали господствовавшую идею самозарождения макроскопических организмов.

После открытия А. ван Левенгуком микроорганизмов именно они стали основным объектом спора о зарождении жизни, поскольку логичным представлялось, что в первую очередь к самозарождению способны наиболее примитивно устроенные живые существа. Окончательный конец спору о самозарождении микроорганизмов положил Л. Пастер. Серией четко поставленных опытов он доказал, что микроорганизмы не возникают самопроизвольно. Особенно изящными были его опыты, проведенные в колбах с S-образными горлами (рис. 18). В такие колбы наливали подсахаренную дрожжевую воду. Если колбы прокипятить, а затем осторожно охладить, то они остаются стерильными неопределенно долгое время, несмотря на то, что не закрыты пробками. Если же удалить S-образный участок горла, то спустя несколько дней в такой колбе будет наблюдаться бурное развитие микроорганизмов. Через S-образное горло непрогретый воздух может легко поступать в колбу, но содержащиеся в воздухе микроорганизмы задерживаются в изгибах горла, оседая в его нижнем колене. После удаления S-образной части горла микроорганизмы прямо попадают в колбу, начинается их быстрый рост. Этим простым опытом Л.Пастер опроверг возражение о разрушении при нагревании таинственной «жизненной силы». Он неопровержимо доказал, что «самозарождение» в большинстве опытов происходит в результате попадания в стерилизованные питательные среды микроорганизмов из воздуха.

Рис. 18. Опыт Л. Пастера в колбах с S-образными горлами: 1 — колба с подсахаренной дрожжевой водой после стерилизации и охлаждения остается стерильной в течение длительного времени; 2 — та же колба через 48 ч после удаления изогнутого горла; наблюдается рост микроорганизмов.

3. Концепция стационарного состояния жизни.Согласно этой концепции, жизни на Земле существовала все время в неизменной форме. Данная концепция в настоящее время полностью опровергнута данными палеонтологии: в наиболее древних архейских породах признаков жизни не обнаруживается, в то время как в вендских и еще более молодых отложениях биоразнообразие возрастает.

4. Концепция панспермии. Опыты Л. Пастера, поставленные во второй половине XIX в., показали невозможность в современных условиях Земли зарождения жизни. Это в какой-то мере привело к возникновению идей панспермии, согласно которым жизнь на Земле вообще никогда не зарождалась, а была занесена из космического пространства, где она существовала в виде зародышей. Наиболее характерными сторонниками этих представлений выступили Г. Гельмгольц и С. Аррениус, хотя ранее подобные идеи высказывались Ю. Либихом. По С. Аррениусу, частицы живого вещества - споры или бактерии, осевшие на микрочастицах космической пыли, силой светового давления переносятся с одной планеты на другую, сохраняя свою жизнеспособность. При попадании спор на планету с подходящими условиями для жизни они прорастают и дают начало биологической эволюции.

Нужно признать, что данная концепция не дает ответа на вопрос о происхождении жизни. Эта гипотеза не объясняет первоначального возникновения космических спор или зародышей, а просто истоки жизни выносит в просторы Вселенной. В настоящее время ни у кого не вызывает сомнения возможность существования жизни в других частях Вселенной, однако вероятность занесения на Землю живых организмов из космического пространства не имеет пока никаких подтверждений.

5. Концепция биохимической эволюции. В ХХ в. внимание к проблеме происхождения жизни было привлечено советским биохимиком А. И. Опариным и английским исследователем Дж. Холдейном, которые выдвинули предположение, что жизнь возникла в результате взаимодействия органических соединений, образовавшихся в бескислородных условиях на первобытной Земле. Известно, что атмосфера древней Земли имела восстановительный характер и состояла из смеси метана, водорода, аммиака, паров воды.

Органические вещества могли создаваться в океане из этих простых соединений; энергию для этих реакций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнеч­ная радиация (главным образом ультрафиолетовая), па­давшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. По мнению Опарина, разнообразие находившихся в океане простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энер­гии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался тот «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь.

В 1953 г. С. Миллер в ряде экспериментов моде­лировал условия, предположительно существовавшие на первобытной Земле. В созданной им установке, снабжен­ной источником энергии, ему удалось синтезировать мно­гие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряд аминокислот, аденин и простые сахара, та­кие как рибоза.

После того как углеродистые соединения образовали «первичный бульон», могли уже организовываться биополимеры — белки и нуклеиновые кислоты, обладающие свойством самовоспроизводства себе подобных. Необходимая концентрация веществ для образования биополимеров могла возникнуть в результате осаждения органичес­ких соединений на минеральных частицах, например, на глине или ги­дроокиси железа, образующих ил прогреваемого Солнцем мелково­дья. Кроме того, органические вещества могли образовать на поверх­ности океана тонкую пленку, которую ветер и волны гнали к берегу, где она собиралась в толстые слои. В химии известен также процесс объединения родственных молекул в разбавленных растворах.

Благодаря амфотерности белковых молекул, они способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов — притягивают к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от всей массы воды, в ко­торой они суспендированы (водной фазы), и образовывать своего рода эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом приводит к отделению коллоидов от водной сре­ды — процесс, называемый коацервацией.

Предполагается, что в самих коацерватах входящие в их состав вещества вступали в дальнейшие химические реакции; при этом происходило поглощение коацерватами ионов металлов и образование ферментов. На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов (сложные углеводы), что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. В результате способности к самовоспроизведению и внутренней перестройке покрытого липидной оболочкой коацервата могла возник­нуть примитивная клетка. Увеличение размеров коацерватов и их фрагментация, возможно, вели к образованию идентичных коацерватов, которые могли поглощать больше компонентов среды, так что этот процесс мог продолжаться. Такая продолжительная последовательность событий дол­жна была привести к возникновению примитивного само­воспроизводящего гетеротрофного организма, питавшегося органическими веществами первичного бульона.

Вероятно, автотрофные организмы возникли позднее, под влиянием конкуренции за готовые питательные вещества. В этих условиях должен был идти отбор на способность к синтезу органических соединений из неорганических путем преобразования энергии солнечного света или энергии химических связей (то есть на способность к фотосинтезу или хемосинтезу, соответственно).