А. Абиогенез

Жизнь, по мысли Эмпедокла, на нашей планете началась еще до того, как народилось Солнце. В ту пору землю орошали обильные дожди. Она походила на тинообразную массу и согревалась внутренним огнем, который время от времени прорывался из недр земли наружу и поднимал вверх комъя тины, принимавшие различную форму. Так создались сперва растения - предвестники предтечи подлинных живых существ. А позже стали появляться и животные формы. Но какие все это были причудливые существа - вернее даже не существа, а отдельные обрывки, органы и члены их.

"Головы выходили без шеи, двигались руки без плеч, очи блуждали без лбов. Влекомый силой любви, они сходились друг с другом и соединялись, “что с чем попало”: Они скрепились между собою, как кто с кем повстречался, И к множеству существующих без перерыва присоединялись еще другие.. Появилось много существ с двойными лицами и двойной грудью. Рожденный быком с головой человека - и наоборот,...”. Так видел происхождение жизни Эмпедокл.

Тем не менее идея самозарождения жизни была не чужда и более просвященному веку. Гипотезы абиогенеза, или «самозорождения жизни» - появились еще в XV-XVI вв. В XVIII веке идеи самозарождения развивали и пропагандировали Г.Лейбниц (Германия), Ж.Бюффон (Франция), Дж.Нидхэм (Ирландия), в XIX веке - Ч.Дарвин (Англия) и Ж.Б. Ламарк.

Главнейшим аргументом в гипотезах этой группы признавались факты появления живых организмов на закрытых питательных субстратах. При этом, допускалось существование «жизненной силы», возбуждающей жизнь в мертвом субстрате в любое время. Казалось, эта идея была развенчана Луи Пастером в его опытах по стерилизации культур - оттуда и возник принцип Пастера-Реди: «все живое от живого».

Новую жизнь в теории абиогенеза вдохнул наш соотечественник А.И.Опарин. В опытах с концентрированными растворами органических веществ были получены устойчивые сгустки-коацерватные капли, способные поглощать, преобразовывать и выделять некоторые вещества. Коацерваты рассматриваются как аналоги предбиологических систем, давших начало живым телам. Возможность абиогенного синтеза органических веществ была показана в лабораторных экспериментах С.Миллера (США) в 1955г. Получив вакуум на обычном химическом оборудовании, ученый осуществил в нем циркуляцию смеси водяного пара, аммиака, метана, и водорода и подверг ее действию энергетических разрядов в 60 000 вольт. Через неделю он проанализировал конденсат и пришел к заключению, что так, случайным образом, были получены синтетические аминокислоты первичных протеинов. В 1961г. Х.Стругхолд подтвердил эти данные предбиологической медицины, он показал, что более трех миллиардов лет назад некоторые пояса радиации космической пустоты при соприкосновении с земной атмосферой вблизи полюсов создали короткое замыкание, длившееся веками. Такая фантастическая сверх-гроза могла превратить поверхность Земли в "питательный бульон", в котором, скорее всего, и зародилась жизнь. Правда, позднее были внесены поправки - в первичной атмосфере Земли не было паров аммиака и метана. Еще один минус, в начале века, в начале работы А.И.Опарина, полагали, что наследственная информация содержится в белках, а к середине века выяснилось, что в молекулах ДНК. Встал вопрос, как появились нуклеиновые кислоты? Считается, что Д.Холдейн дал на него ответ, был прозведен синтез нуклеотидов in vitro*, поэтому и теория абиогенеза имеет двух современных отцов и считается теорией Опарина-Холдейна.

В то же время, немецкий биохимик Шрамм подсчитал, что вероятность самосборки даже молекул РНК (они значительно меньше ДНК) в результате случайного взаимодействия, практически равна нулю. В его расчетах, если всю Вселенную представить в виде супа из нуклеотидов , а это 1:10⁸⁰ протонов, то понадобилось бы 10⁹ лет, чтобы могла собраться одна цепочка РНК. Фрэд Хойл о возникновении живого в результате случайного взаимодействия молекул писал так: эта мысль столь же нелепа, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке американского самолета Боинга.

Ответ в настоящее время видится в создании и поддержании сложных систем. На заре развития Земли, параллельно возникают как геологический, так и биотический круговороты. Более сложные, более устойчивые соединения сохраняются, менее устойчивые, простые - распадаются. Возникает взаимодействие процессов синтеза и распада.

Синергетическая модель процессов добиологической эволюции рассматривает появление двух классов соединений. По Эйгену - на Земле произошло независимый синтез двух классов соединений: белков и нуклеиновых кислот. Белки - в силу слабых энергетических связей в их молекулах и достаточно большого «аминокислотного алфавита» способны к чрезвычайно сложным и разнообразным комбинациям - кирипичики жизни. Нуклеиновые кислоты, менее вариабельные относительно химической структуры, но зато способные к самовоспроизведению и продолжительной фиксации возникших изменений. При взаимодействии этих структур образовалась новая система, возник тот круговой процесс жизнедеятельности, который происходит до сих пор и служит основой для естественного отбора.

Сам процесс добиологической эволюции, в том числе и возникновение системы трансляции*, заведомо стохастичен, т.е. в этом процессе случай должен сыграть существенную роль. В то же время, налицо ряд «почти детерминированных» свойств генетического кода: универсальность, почти полная вырожденность, связность, симметричность, регулярность, которые следует объяснить с эволюционных позиций. Всегда существует соблазн обусловить детерминированные свойства детерминированными же факторами. Однако, как отметил Эйген, даже очень маловероятная, но реализованная и усиленная флуктуация может привести к детерминированным и необратимым последствиям. Поэтому детерминированное свойство может иметь смысл единственной (а потому всеобщей) реализации стохастического процесса, когда имеется ограниченная возможность перебора вариантов, которые маловероятны, но, раз возникнув, продолжают длительно и устойчиво существовать.

В рамках гипотезы абиогенеза существует дискуссия по вопросу о месте появления живого вещества. Обсуждаются, причем весьма аргументировано, такие варианты:

1. - жизнь зародилась в океане в «первичном бульоне»,

2. - жизнь зародилась в океане, на подводных вулканах,

3. - жизнь зародилась на прибрежных глинах,

4. - жизнь зародилась в наземных условиях, среди частиц грунта.

Наиболее интересной, на наш взгляд, является точка зрения, что жизнь началась с метаболизма, с обмена веществ на поверхностях, что увеличивало саму возможность встречи веществ и их удержания вместе. Увеличение числа звеньев в основных метаболических путях и их интеграция в конечном счете снижали степень рассеяния энергии (производства энтропии) в предбиологических системах, что требовало, в свою очередь, более сложной координации связей в системе и привело к возникновению живой клетки.

Несмотря на то, что, абиогенный подход стал хрестоматийным, а идеи космического происхождения жизни, как и ее вечности, не находит отражения в учебниках, существует целый ряд положений, не позволяющих принять гипотезу абиогенеза как окончательную.

Во-первых, даже исходя из системных отношений, в предбиологических системах, время для "конструирования" жизни ничтожно. Возраст Земли - 4,5 млрд. лет, время появления прокариот 3,5-3,8 млрд. лет. И, возможно, этот срок не окончательный, ведь для идентификации геологических пород, связанных с жизнью сама жизнь должна была набрать ощутимые размеры.

Во-вторых, является установленным факт, что атмосфера предбиологического периода не содержала метана и аммиака, нет пород, которые свидетельствовали бы об этом. А именно эти вещества являлись основными в опытах синтеза аминокислот "in vitro", Стэнли Миллера.

В-третьих, до настоящего времени между самыми сложными моделями пробионтов и наиболее просто устороенными прокариотическими клетками существует огромный разрыв.

Б. Биогенез (панспермия)."Pan - все, sperma - сперма".

В эпоху эллинской и средневековой цивилизации земной мир был средоточием всего Универсума, небесные сферы лишь окружали Землю. Только отдельные мыслители древности поднимались до понимания настоящих размеров Вселенной. Эпикурийцы считали, что жизнь распостранена повсюду, так как не видели четкой границы между живым и мертвым.

Только к началу XIX века с осознанием размеров Земли и космоса, с формулированием принципа Реди, с убеждением в обмене веществом Земли с космосом, в форме пыли и метеоритов, появляется представление о заносе жизни из космоса. В качеcтве научной гипотизы идея панспермии появляется в 1865г, благодаря работам Г.Э.Рихтера, широкообразованного, разностороннего ученого, врача, общественного деятеля. По Рихтеру микрозои - зародыши жизни в латентном состоянии, носятся в небесных пространствах. С метеоритами и пылью они проникают на другие планеты и в подходящих условиях способны давать начало жизни. Работы Г.Э.Рихтера прошли незамеченными, не зная о его идеях, в один и тот же 1871г Г. Гельмгольц - в Германии и Т.Кельвин - в Англии высказывают мысль о вечности жизни и распространении ее через космос. Уже в XX веке близкие, но несколько иные идеи пытался развить в новой космогонической картине шведский физик С.А.Аррениус. Выдвижению идеи панспермии чрезвычайно способствовало учение о давлении света, теоретически обоснованное Максвеллом, а экспериментально доказанное нашим соотечественником Лебедевым. Он рассчитал максимальный эффект давления солнечных лучей на очень маленькие шаровидные тельца диаметром 0,00016 мм, а это уже размеры некоторых вирусов. Расчеты приводят, что вирус может преодолеть путь от Земли до Марса на 20-ый день, а Юпитера на 80-ый.

Вот, что писал сторонник идеи панспермии В.И.Вернадский (1994): "Несомненно, после работ Аррениуса, эти идеи получили в последнее время большое распространение. Они особенно удобны, потому, что совершенно оставляют в стороне вопрос о зарождении жизни на Земле. Жизнь может быть извечной; но новой лишь на Земле, где есть условия для ее продолжения, но не для зарождения."

Против учения о панспермии были выдвинуты возражения принципиального и фактического характера:

1. Панспермия не дает объяснения, как зародилась жизнь на Земле, а только переносит решение этого вопроса на другие небесные тела. Но для такого перенесения нет оснований, поскольку вообще неизвестно, существует ли жизнь на других небесных телах;

2. Ультрафиолетовая радиация Солнца на среднем расстоянии от Земли равна 1,40*10⁶ эрг/1см²/с. Если оторвавшаяся от Земли спора будет прямолинейно двигаться по направлению к Марсу со скоростью 300000 км/с, то она достигнет этой планеты за 1090 часов. За это время доза полученного ею облучения (7,85 *10⁹ эрг/1см²/с) окажется во много раз больше смертельной (10 ² - 10 ⁶ эрг/см²).

Тем не менее, целый ряд отечественных ученых все же допускали возможность переноса живых зародышей с Земли на другие планеты. Аргументами в пользу этого были размеры некоторых бактерий - в пределах 0,1 - 0,5 мкм и способность переживать смертельную дозу ультрафиолета спорами, покрытыми тонким слоем пылинок, полученных из туфа или порошка из метеоритов.

Поиск жизни в метеоритах начался давно, так как ученые XIX в. рассматривали их как возможные транспортные средства. Время от времени появлялись сенсации - находили органические молекулы, имеющие абиогенное происхождение. Ежесуточно частицы метеоритной материи вторгаются в земную атмосферу, за год выпадает от 10 тыс. до 1 млн. метеоритов, их вес колеблется от микронов до десятков тонн. По качественному составу метеориты делят на каменные, железные и железокаменные. Больше всего на Землю выпадает каменных метеоритов (до 90%), особый интерес среди них представляют углистые хондриты. Кроме железа они содержат серу, связанную воду и до 5% углерода в виде различных органических соединений. Это битумообразные вещества, в состав которых входят углеводороды, ароматические и жирные кислоты, серо- и хлорсдержащие органические соединения, углеводы и др. В хондритах найдены аминокислоты ( глицин, аланин, глутаминовая кислота и др.).

Сенсацией 90-х годов явилось описание российскими учеными (Жмур и др. 1997) углистых хондритов Ефремовка, из Казахстана и Мурчинсон, переданного для анализа в Палеонтологический институт РАН австралийскими коллегами. Были получены вещества, содержащие цепочки до 10-15 атомов углерода и соединение, напоминающее цитозин - одну из составных частей нуклеиновых кислот. В хондрите Мурчинсон выявили аминокислоты, не используемые живыми организмами при биосинтезе белков. Интересно отметить, что эти же аминокислоты были синтезированы в опытах, в которых моделировались условия, существовавшие на нашей планете до того, как на ней появилась жизнь.

Электронно- микроскопические исследования сколов метеоритов Мурчинсон и Ефремовка сводятся к тому, что минеральные частицы и того и другого содержат достаточно частые микроскопические сложнооформленные структуры, которые с очень высокой степенью вероятности могут быть интерпретированы как фосциллицированные* остатки коккоидных и нитчатых цианобактерий, а разветвленные нитевидные остатки принадлежат мицельным грибам или актиномицетам.*

Полученные результаты несомненно дают повод для реанимации представлений о возможности возникновения жизни на Земле путем заноса ее из космоса, т.е. идеи панспермии. Так известный микробиолог Г.А. Заварзин, считает, что дискуссия о происхождении может быть закрыта в пользу панспермии. Данные о времени обнаружения древнейших прокариотов на нашей планете окончательно вытесняет время возникновения жизни из ее пределов в космос, а обнаружение остатков жизни в космических телах возраста, сопоставимого с возрастом Земли, говорит о невозможности абиогенеза на нашей планете (Заварзин, 1999).