Концепции происхождения и развития микроорганизмов

Среди главных теорий возникновения жизни обычно выделяют следующие: жизнь возникает неоднократно из неживого вещества (абиогенез); все живое возникает только от живого (лат. omne vivum ex ovo - все живое из яйца, биогенез, теория стационарного состояния); жизнь возникла в результате процессов подчиняющихся химическим и физическим законам (биохимическая эволюция); жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия); жизнь создана по воле сверхъестественного существа (креационизм).

Теория самопроизвольного зарождения жизни. В древние и средние века было широко распространено мнение, согласно которому низшие животные и даже некоторые позвоночные могут возникать путём самозарождения из разлагающихся органических остатков. Одним из первых такое предположение выдвинул греческий философ Аристотель. В книге «Метафизика» он говорил об идее самозарождения как о единственно возможном объяснении происхождении жизни. В качестве примера он приводил светлячков, которые рождаются из утренней росы. Мировая литература не раз обращалась к этим верованиям. В трагедии Шекспира «Антоний и Клеопатра» Лепид говорит Марку Антонию: «Ваши египетские гады заводятся в грязи от лучей вашего египетского солнца. Вот например, крокодил…». Однако подобные идеи не могли долго противостоять развивающейся науке и были опровергнуты следующим опытом итальянского врача Франческо Реди (1626-1697): он покрыл свежее мясо кисеёй, и через некоторое время личинки мух появились не в мясе, а на поверхности кисеи. Этим было показано, что червячки образуются не самопроизвольно, а развиваются из яичек, откладываемых мухами. Он высказал также тезис (ошибочно приписываемый Гарвею), "Omne vivum ex ovo" - Всё живое из яйца". Но и после этого учёные разных стран защищали точку зрения, согласно которой из разлагающегося органического вещества зарождаются микроскопические существа.

История роли микроорганизмов в спорном вопросе о возникновении жизни регулярно описывается в большинстве учебников по микробиологии. Поиски экспериментальных доказательств за и против учения о самозарождении жизни были наиболее сильным импульсом, способствующим бактериологическим исследованиям в 18 и 19 столетиях.

В 18 веке русский учёный Тереховский и итальянец Лаццаро Спалланцани (1729-1799) показали, что если сосуды, в которых находится жидкость, хорошо прогреть, то в них живых существ не образуется. Ставились также опыты, при которых в сосуд с обеспложенной жидкостью воздух пропускался через крепкую серную кислоту или через слой стерилизованной ваты. Результаты этих опытов говорили против возможности самопроизвольного зарождения.

Французская академия учредила премию тому, кто раз и навсегда покончит с этими спорами, волновавшими весь учёный мир. Луи Пастер провёл серию тщательно продуманных опытов. Сейчас его колбы с S –образным горлышком являются символом исследования, которое вынесло смертный приговор теории самозарождения. Он первым доказал. Что в воздухе содержатся видимые под микроскопом живые организмы. В 1864 году Пастер доложил Французской академии о своих результатах. Окончательное решение вопроса стало возможным в 19 веке после открытий Ф. Коном и Р.Кохом устойчивых к нагреванию спор бактерий, работ Листера, Тиндаля.

Таким образом, вопрос о возникновении жизни долгое время служил импульсом исследований бактерий и других микроорганизмов.

Возможно, есть несообразие в том, что говоря об экспериментах Пастера как о победе разума над мистицизмом, мы тем не менее, вынуждены вернуться к идее о самопроизвольном зарождении, пусть в её более совершенном, научном понимании, а именно к химической эволюции.

Согласно гипотезе химической эволюции, жизнь возникла из неживого вещества, то есть произошла в результате эволюции материи. Это явление, которое нельзя приписать какому-то определённому месту и времени, результат последовательных процессов, действовавших на земле невероятно долго, миллионы лет, и завершившихся образованием современной биосферы. От неорганических соединений - к органическим, от органических – к биологическим: так последовательно совершался процесс зарождения жизни.

Чарлз Дарвин был один из первых, кто рассматривал эту проблему с научной точки зрения. После Дарвина Тиндаль ставил опыты по самозарождению, Томас Гексли высказывал идеи о живой протоплазме. После Гексли в течение полувека интерес к этой проблеме был невелик. – следствие работ Пастера, опровергших теорию самозарождения. Успех в одной области знаний сдерживал дальнейшее развитие в другой. В 1924 году Алекс. Иван. Опарин, советский биохимик, опубликовал брошюру, в которой говорилось « …вещества с большими, сложными частицами очень склонны давать коллоидные растворы в воде. Рано или поздно, но такие коллоидные растворы органических веществ должны были возникнув в первичной водной оболочке Земли, и раз возникнув, они оставались существовать, усложняя и увеличивая свою молекулу всё дальше и дальше… и …. Развиваясь и совершенствуясь дальше, они дали, наконец, те формы организмов, которые мы наблюдаем и в настоящее время».

Существует обширная литература по вопросам накопления растворов органических веществ, которое сопровождалось образованием структур, напоминающих клетки. Однако такое перепрыгивание от морфологического сходства к функциональному весьма опасно, особенно, если речь идёт об объектах, возраст которых несколько миллиардов лет.

Экспериментально Опарин и его сотрудники получили коацерватные капли из большого количества различных биологических веществ. Коацерваты - мельчайшие коллоидные частицы, обладающие осмотическим свойствами. Благодаря проницаемости стенок происходит селективное проникновение молекул из окружающей среды внутрь системы и обратно. Своеобразная модель «протоклеток». Изменчивость структур коацерватов, легкость их возникновения и способность концентрироваться в слабых растворах, возможно позволили им играть исключительную роль в доклеточной эволюции.

Согласно другому учёному Фоксу, возможным путём возникновения на Земле первых клеток было образование микросфер – маленьких твёрдых шариков, полученных из протеиноидов. По форме и размерам эти микросферы часто сравнивают с бактериями.

Таким образом, все предположения относительно того, каким образом могли возникнуть первые структуры, подобные клеткам, являются весьма спорными. В этой области, лежащей на стыке химии и биологии, проводилось много исследований, но получено мало чётких результатов.

Примитивные организмы, возникшие в первичных океанах Земли, были анаэробными и, вероятнее всего, гетеротрофными; океаны в изобилии поставляли им пищу, и первым микроорганизмам оставалось лишь пожирать её. Но с течением времени мощные потоки солнечной энергии уже не могли достигнуть близких к поверхности океана нижних слоёв земной атмосферы (мешал озон). Дальнейший синтез органических соединений стал невозможен. Наступила пора голодания, и тут-то, по-видимому, началась борьба не на жизнь, а на смерть. Только наиболее приспособленные организмы развили в себе способность к фотосинтезу с использованием того света, что пробивался сквозь озоновый слой. В результате свободный кислород продолжал выделяться в атмосферу. Так началось накопление кислорода.

В переходный период от первичной, восстановительной, атмосферы Земли (метан, аммиак, пары воды) к современной, кислородосодержащей, жизнь уже возникла и включилась в медленный процесс эволюции.

Результаты изучения микрофоссилий позволяют предположить, что микроорганизмы возникли в очень ранний геологический период, примерно 4,5-3.5 млрд. лет назад. Если водоросли появились в первобытном океане 3,5 млрд. лет назад, то фотохимические системы, по всей вероятности уже работали. В докембрийский период ранние формы жизни были совершенно примитивными. Они встречаются в виде отдельных клеток, а их первые колонии обнаруживаются лишь с появлением жгутиковых форм. Однако в эпоху среднего докембрия в отдельных местах планктонные водоросли, возможно, образовывали весьма обильные скопления. Появились сине-зелёные водоросли и большое количество хемосинтезирующих бактерий. Предполагается, что тогда же получили широкое распространение фотосинтезирующие микроорганизмы и началось образование кислородной атмосферы. В позднем докембрии, видимо, уже возникли группы организмов, морфологически сравнимых с существующими ныне. Например, сине-зелёные водоросли достигли в своём развитии большого разнообразия, появились клетки с обособленным ядром. Это событие заслуживает особого внимания, ибо оно возвестило возникновение клеточного деления и разнообразия форм.

Среди множества теорий есть одна, приписываема Сванте Аррениусу: он предположил, что «семена жизни» могли быть заброшены на Землю с других планет. Это теория пансмермии, согласно которой под действием солнечной радиации споры могут перемещаться в космическом вакууме до тех пор, пока не попадут в благоприятные условия, и тогда они прорастают. Они могут передвигаться на метеоритных телах или на частицах космической пыли, несущихся с огромной скоростью в безграничной пустоте Вселенной.