Концепция возникновения жизни на Земле

Загадка появления жизни на Земле возникла вместе с появлением человека разумного. Многовековые исследования и попытки решения этой проблемы породили разные концепции возникновения жизни: креационизм– сотворение жизни Богом; концепция самопроизвольного зарождения из неживого вещества; концепция стационарного состояния, согласно которой жизнь существовала всегда; концепция внеземного происхождения жизни и концепция происхождения жизни в результате развития физических и химических процессов.

Концепция креационизма, по существу, научной не является, поскольку она возникла в рамках религиозного мировоззрения. Она утверждает, что жизнь такова, какова она есть, потому что такой её сотворил Бог. Тем самым практически снимается вопрос о научном решении проблемы происхождения и сущности жизни. Тем не менее, эта концепция продолжает пользоваться довольно большой популярностью.

Концепция самопроизвольного возникновения жизни из неживого вещества существовала в Вавилоне, Египте, Китае, Греции как альтернатива креационизма. Отвергая идею творения мира и жизни, ученые вплоть до середины Х1Х века придерживались идеи самопроизвольного зарождения жизни из различных материальных образований. В том числе из гниющей земли, пшеницы и грязного белья. Этой точки придерживались такие крупные ученые и мыслители, как Аристотель, врач Парацельс, эмбриолог Гарвей, Коперник, Галилей, Декарт, Гетте и др. Их авторитет во многом определил длительный срок существования идеи самозарождения и её широкое распространение. Ни опыты Ф. Реди (XVII в.), который доказал невозможность самозарождения червей из гниющего мяса при отсутствии мух и провозгласил знаменитый принцип «все живое – от живого», ни даже опыты Спалланцани (ХVIII в.), показавшие, что в прокипяченных органических настоях не могут самопроизвольно зарождаться микроорганизмы, не оказали сильного влияния на господствующую в науке концепцию спонтанного самозарождения.

Лишь в 60-е годы Х1Х в. удалось строго научно обосновать несостоятельность этой концепции. Опыты Пастера продемонстрировали, что микроорганизмы появляются в органических растворах в силу того, что туда были ранее занесены их зародыши. Если же сосуд с питательной средой оградить от занесения в него микробов, то не произойдет ни какого самозарождения. Опыты Пастера подтвердили принцип Реди и показали научную несостоятельность концепции спонтанного самозарождения организмов. Но они не давали ответа на вопрос, откуда взялась жизнь.

Примерно в это же время на стыке космогонии и физики немецким ученым Г.Рихтером разрабатывается гипотеза занесения жизни из Космоса. Согласно этой идеи, зародыши простых организмов могли попасть в земные условия вместе с метеоритами и космической пылью и положить начало эволюции живого, которая в свою очередь породила все многообразие земной жизни. Концепцию панспермии разделяли такие крупные ученые, как С. Аррениус, Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский, что способствовало её широкому распространению среди ученых. Но эта гипотеза не решает проблемы происхождения жизни, а лишь выносит её за пределы Земли, если жизнь была занесена на Землю из Космоса, то где и как она возникла?

Есть вариант этой гипотезы, утверждающий вечность жизни во Вселенной. Считается, что после Большого взрыва, в результате которого образовалась наша Вселенная, в процессе появления вещества на самых ранних этапах эволюции Вселенной произошло разделение этого вещества на живое и неживое, и жизнь существует столько же времени, сколько и весь космос.

Наряду с гипотезой панспермии в современной научной литературе сохраняется также гипотеза о случайном характере возникновения на Земле первичной живой молекулы, которая появилась лишь раз за всё время существования нашей планеты. В силу этого обстоятельства экспериментальную проверку данной гипотезы провести невозможно. Эта гипотеза получила широкое распространение среди генетиков в связи с открытием роли ДНК в явлениях наследственности.

Однако более продуктивно рассматривать жизнь как особую форму движения материи, закономерно возникшую на определенном этапе её развития. Сегодня наиболее перспективным направлением является исследование возникновения жизни из неживой материи на нашей планете в ходе процессов самоорганизации. Научная постановка проблемы возникновения жизни принадлежит Ф.Энгельсу, считавшему, что жизнь возникла не внезапно, а сформировалась в ходе эволюции материи. В 1924 году в книге А.И.Опарина «Происхождение жизни» была впервые сформирована естественно-научная концепция, согласно которой возникновение жизни – результат сначала химической, а затем биологической эволюции на Земле. Эта концепция получила наибольшее признание в научной среде. Этот процесс был неразрывно связан с геологической эволюцией Земли.

Жизнь на Земле основана на углероде, хотя в принципе можно предположить существование жизни на кремниевой основе. Углерод способен создавать разнообразные (несколько десятков миллионов), подвижные, низкоэлектропроводные, студенистые, насыщенные водой, длинные скрученные цепеобразные структуры. Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором, серой, железом обладают замечательными каталитическими, строительными, энергетическими, информационными и иными свойствами. Кислород, водород и азот наряду с углеродом можно отнести к «кирпичикам» живого. Клетка состоит на 70% из кислорода, 17% углерода, 10% водорода, 3% азота. Все кирпичики живого принадлежат к наиболее устойчивым и распространенным во Вселенной химическим элементам.

Согласно концепции Опарина, периоду развития жизни предшествовал длительный период химической эволюции Земли, во время которой (3-5млн лет тому назад) образовались сложные органические вещества и протоклетки. А.И.Опарин полагал, что органические вещества могли создаваться в океане из более простых соединений. Энергию для этих реакций, вероятно, доставляла солнечная радиация (главным образом, ультрафиолетовая), падавшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую её часть. Разнообразие находящихся в океанах соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества, и образовался «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь. После того, как углеродистые соединения образовали «первичный бульон», могли образовываться биополимеры-белки и нуклеиновые кислоты, обладающие свойством самопроизводства себе подобных.

В подтверждение возможности абиогенного (неживого) синтеза были проведены следующие опыты. Воздействуя на смесь газов электрическими зарядами, имитирующими молнию, и ультрафиолетовым излучением, ученые получили сложные органические соединения, входящие в состав живых белков. Американский ученый С.Миллер в 1953 году синтезировал ряд аминокислот при пропускании электрического заряда через смесь газов, предположительно составлявших первичную земную атмосферу. Были синтезированы и простые нуклеиновые кислоты.

Начало жизни на Земле – появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков. Переход от сложных органических веществ к простым живым организмам пока не ясен. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему. Самое трудное здесь – объяснить способность живых систем к самовоспроизведению, т.е. сам переход от сложных неживых систем к простым живым организмам. Главное структурное отличие живого от неживого – это клетка. Все основные процессы, определяющие поведение живого организма, протекают в клетках. Тысячи химических реакций происходят одновременно для того, чтобы клетка могла получить необходимые питательные вещества, синтезировать специальные биомолекулы и удалить отходы.

Клетки без ядра, но имеющие нити ДНК, напоминают нынешние бактерии и сине-зеленые водоросли. Возраст таких самых древних организмов около 3 млрд лет. На следующем этапе (2 млрд лет) в клетке появляется ядро. Одноклеточные организмы с ядром называются простейшими. Их 25-30 тысяч видов. Самые простые из них – амебы. Инфузории имеют ещё и реснички. Многие простейшие обладают сложным двигательным аппаратом.

Примерно 1 млрд лет тому назад произошло разделение живых существ на два царства – растений и животных. Как считает большинство биологов различие между ними нужно делать по трем основаниям: 1) по структуре клеток и их способности к росту; 2) по способу питания; 3) по способности к движению.

При этом отнесение живого существа к одной из этих частей следует проводить не по каждому отдельному основанию, а по совокупности всех трех. Это связано с тем, что между растениями и животными существуют переходные типы, которые обладают свойствами той и другой группы. Так, например, кораллы, моллюски, речная губка всю жизнь остаются неподвижными, как растения, но по другим признакам их относят к животным. Существуют насекомоядные растения, которые по способу питания относятся к животным. В биологии известны такие переходные типы живых организмов, которые питаются как растения, а двигаются как животные.

Возникновение и распространение растительности привело к коренному изменению состава атмосферы, первоначально имевшей очень мало свободного кислорода. Растения, ассимилирующие углерод из углекислого газа, создали атмосферу, содержащую свободный кислород, который не только активный химический агент, но и источник озона, преградившего путь коротким ультрафиолетовым лучам к поверхности Земли. Веками накапливавшиеся остатки растений образовали в земной коре грандиозные энергетические запасы органических соединений (торф, уголь, нефть), а развитие жизни в Мировом океане привело к созданию осадочных горных пород, состоящих из скелетов и других остатков морских организмов.

Основные понятия и проблемы генетики

Генетика – это биологическая наука о наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими.Центральным понятием генетики является «ген». Это элементарная единица наследственности. По своему уровню ген – внутриклеточная молекулярная структура. По химическому составу – это нуклеиновые кислоты, в составе которых основную роль играет азот и фосфор. Гены расположены, как правило, в ядрах клеток. Они имеются в каждой клетке, и поэтому их общее количество в крупных организмах может достигать многих миллиардов. По своему назначению гены – своего рода «мозговой центр» клеток и, следовательно, всего организма.

Воспроизводство себе подобных и наследование признаков осуществляется с помощью наследственной информации, материальным носителем которой являются молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (или, сокращенно, ДНК). ДНК состоит из двух цепей, идущих в противоположных направлениях и закрученных одна вокруг другой наподобие электрических проводов. Молекулы ДНК – это, как бы набор, с которого «начинается» организм в типографии Вселенной. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называется геном. Гены расположены в хромосомах. Если ДНК является хранительницей генетической информации, заложенной в последовательности оснований вдоль цепи ДНК, то РНК (рибонуклеиновая кислота) способна «считывать» хранимую в ДНК информацию, переносить её в среду, содержащую необходимые для синтеза белки исходные материалы, и строить из них нужные белковые молекулы.

Генетика в своем развитии прошла семь этапов:

1.Грегор Мендель(1822–1884) открыл законы наследственности. Результаты исследований Менделя, опубликованные в 1865 году не обратил на себя никакого внимания, и были повторно открыты только после 1900 года Гуго де Фризом в Голландии, Карлом Корренсом в Германии и Эрихом Черманом в Австрии.

2.Август Вейсман (1834–1914) показал, что половые клетки обособлены от остального организма и поэтому не подвержены влияниям, действующим на соматические ткани.

3.Гуго де Фриз (1848–1935) открыл существование наследуемых мутаций, составляющих основу дискретной изменчивости. Он предположил, что новые виды возникли вследствие мутации.

4.Томас Морган (1866–1945) создал хромосомную теорию наследственности, в соответствии с которой каждому биологическому виду присуще строго определенное число хромосом.

5.Г. Меллер в 1927 году установил, что генотип может изменяться под действием рентгеновских лучей. Отсюда берут свое начало индуцированные мутации и то, что в последствии было названо генетической инженерией.

6.Дж. Бидл и Э. Татум в 1941 году выявили генетическую основу процессов биосинтеза.

7.Джеймс Уотсон и Френсис Крик предложили модель молекулярной структуры ДНК как материального носителя информации.

Крупнейшие открытия современной генетики связаны с установлением способности генов к перестройке, изменению. Эта способность называется мутированием. Мутации для организма бывают полезными, вредными или же нейтральными. Причины мутаций до конца не выяснены. Однако установлены основные факторы, вызывающие мутации. Это так называемые мутагены, рождающие изменения. Известно, например, что мутации могут вызываться некоторыми общими условиями, в которых находится организм: его питанием, температурным режимом и т.д. Вместе с тем они зависят и от некоторых экстремальных факторов, таких, как действие отравляющих веществ, радиоактивных элементов, в результате которых количество мутаций увеличивается в сотни раз, причем, возрастает оно пропорционально дозе воздействия.

Учитывая это, селекционеры часто используют различные химические мутагены для обеспечения направленных полезных мутаций. Перед наукой открылась возможность не только изучать наследственный материал, но и влиять на саму наследственность: «оперировать» ДНК, сращивать участки генов далеких друг от друга животных и растений, иначе говоря, творить неизвестных природе химер. Первым с помощью генной инженерии был получен инсулин, затем интерферон, потом гормон роста. Позже сумели изменить наследственность свиньи, чтобы она не наращивала много жира, коровы – чтобы её молоко не скисало так быстро. Благодаря вмешательству человека в конструкцию ДНК, были улучшены или изменены качества десятков животных и растений.

Однако в последнее время в связи с загрязнением окружающей среды, повышением фона радиации возрастает число стихийных вредных мутаций, в том числе и у человека. Ежегодно в мире рождается около 75 млн детей. Из них 1,5 млн, т.е. около 2% - с наследственными болезнями, вызванными мутациями. С наследственностью связана предрасположенность к раку, туберкулезу, полиомиелиту. Известны, вызванные теми же факторами дефекты нервной системы и психики, такие, как слабоумие, эпилепсия, шизофрения и т.п. Всемирной организацией здравоохранения зарегистрировано свыше 1000 серьезных аномалий человека в виде различных уродств, нарушений жизненно важных процессов под влиянием мутагенов.

Одним из наиболее опасных видов мутагенов являются вирусы. У человека вирусы вызывают множество заболеваний, включая грипп и СПИД. СПИД – синдром приобретенного иммунодефицита – вызывается особым вирусом. Попадая в клетки крови и мозга, он встраивается в генный аппарат и парализует их защитные свойства. Зараженный вирусом СПИДа человек становиться беззащитным перед любой инфекцией. Вирус СПИДа передается половым путем, при инъекции, родовых контактах матери и ребенка, через донорские органы и кровь. Ныне широко осуществляется комплекс мер по профилактике СПИДа, важнейшей из которых является санитарное просвещение.

Генная инженерия предоставила возможность решать и такие задачи, которые далеки и от сельского хозяйства и от нужд человеческого здоровья. Оказалось, что с помощью отпечатков ДНК можно провести идентификацию личности гораздо более успешную, чем это позволяли сделать традиционные методы отпечатков пальцев и анализ крови. Вероятность ошибки – одна на несколько миллиардов. Неудивительно, что новым открытием немедленно воспользовались криминалисты. Оказалось, что с помощью ДНК–отпечатков можно расследовать преступления не только настоящего времени, но и глубокого прошлого. Генетические экспертизы по установлению отцовства – наиболее частый повод обращения судебных органов к генетической дактилоскопии. В судебные органы обращаются мужчины, сомневающиеся в своем отцовстве, и женщины, желающие получить развод на основании того, что их муж не отец ребенка.