Начало жизни и эволюция живого вещества

Донаучные представления уходят в далекое прошлое, и связаны с идеей божественного (креационизм - creatio “сотворение”) начала всего сущего, время которого даже пытались вычислить. Так в 1650 году архиепископ Ашер из Ирландии вычислил, что Бог сотворил мир и человека в 9 часов утра 23 октября 4004 года до нашей эры. Как это происходило, рассказывает библия.

“В начале сотворил Бог небо и землю. Земля же была безвидна и пуста, и тьма над бездною; и Дух Божий носился над водою...” (Быт.1;1,2).

Там же высвечена идея о постоянстве и наследственных признаках всех живых организмов: “И сказал Бог: да произрастит земля зелень, траву сеющую семя [по роду и по подобию ее, и] дерево плодовитое, приносящее по роду своему плод, в котором семя его на земле. И стало так.”(Быт.1.11) Эта идея, но уже с учетом полового размножения, отражена в Притче о Ноевом Ковчеге.

Нечто подобное утверждается и в различных сурах Корана. Вот образцы таких текстов:

”Поистине, Господь ваш - Аллах, который создал небеса и землю в шесть дней, а потом утвердился на троне. Он закрывает ночью день, который непрестанно за ней движется...И солнце и луну и звезды, подчиненные его власти. О да! Ему принадлежит и создание и власть. Благословен Аллах, Господь миров!” (7:54/52).

”Аллах - тот, кто воздвиг небеса без опор, которые вы бы видели, потом утвердился на троне и подчинил солнце и луну: все течет до определенного предела. Он управляет (Своим) делом, устанавливает ясно знамения,- может быть вы уверитесь во встрече с вашим Господом! (13:2)

Он - тот, кто распростер землю и устроил на ней прочно стоящие (горы) и реки и из всяких плодов устроил там пары по двое. Он закрывает ночью день. Поистине, в этом - знамения для людей, которые думают (13:3).

Теория спонтанного зарождения жизни, как альтернатива креационизму восходит к древнему Вавилону, Египту, Криту, Греции. Согласно воззрениям натурфилософов того времени некоторые частицы вещества, из тех, что образуют всю вселенную, содержат некое “активное начало” которое при определенных условиях может создать живой организм. Аристотель полагал, что активное начало есть в оплодотворенном яйце, солнечном свете, гниющем мясе. У Демокрита начало жизни было в иле, у Фалеса - в воде, у Анаксагора - в воздухе.

Научный поиск зарождения жизни. Если отвлечься от Божественного Начала, загадка зарождения жизни до конца еще не разгадана. Биологические факты свидетельствуют, что ныне живое возникает только от живого. В.И.Вернадский (рис.1.3), ссылаясь на итальянского биолога Франческо Реди, постулировавшего в 1688 году, что все живое может происходить только от живого, однозначно указывает, что:

• Никогда не наблюдалось в условиях Земли зарождение живого от мертвого (обратите внимание на точность изложения мысли. Не категоричное "не может быть", как сейчас нередко с добавлением, "потому что не может быть никогда", а именно никогда не наблюдалось что не исключает, в принципе, вероятность такого хода события).
• В геологической истории нет эпох отсутствия жизни.
• Современное живое вещество генетически родственно всем прошлым организмам.

И хотя в древнейших архейских горных породах уже есть признаки жизни, нет свидетельств ее одномоментного зарождения.

Но в истории формирования Земли был период, который не нашел отражения в геологической летописи, называемый В.И. Вернадским азойным периодом. Период, относящийся к космической истории Земли, как части Солнечной Системы. В отношении этого времени В.И.Вернадский указывает на такие возможности: "Не зная научно этого прошлого, мы не можем научно решить вопрос о генезисе в нем жизни, если он произошел в космические периоды истории Земли. Другого времени для этого нет, ибо в геологических временах зарождения жизни не было". И далее, "Признавая биогенез, согласно научному наблюдению, за единственную форму зарождения живого, неизбежно приходится допустить, что начала жизни в том космосе, который мы наблюдаем, не было, поскольку не было начала этого космоса. Жизнь вечна постольку, поскольку вечен космос, и передавалась всегда биогенезом. То, что верно для десятков и сотен миллионов лет, протекших от архейской эры до наших дней, верно и для всего бесчисленного хода времени космических периодов истории Земли. Верно и для всей Вселенной." Значит "...Остаются три возможности:

• жизнь создалась на Земле при космических стадиях ее истории в условиях, не повторяющихся в позднейшие геологические эпохи;
• жизнь была на Земле и в космические эпохи ее былого, она извечна;
• жизнь, извечная во вселенной, явилась новой на Земле, ее зародыши приносились в нее извне постоянно, но укрепились на Земле лишь тогда, когда на Земле оказались благоприятные для этого возможности”. Этот механизм привнесения жизни на землю известен как идея панспермии.

Иная точка зрения, выдвинутая и разработанная, в частности, академиком А.И.Опариным вам известна из школьного курса биологии. Она состоит в том, что первично живое вещество все-таки возникло из неживого в особо благоприятных для этого условиях дна мелководных теплых морей катархея, воды которых были богаты сложными органическими веществами неорганического происхождения. Там и могло начаться образование двойных сахарофосфатных спиральных нитей высокополимерных нуклеиновых кислот с закрепленными на них основаниями, служащими “кодами” для дальнейшего синтеза белков. Эти нити, при некоторых внешних условиях могли разворачиваться в одинарные спирали и синтезировать на каждой из них недостающую вторую спираль, то есть порождать пару себе подобных, передавая им информацию, заложенную в основаниях. Подобные полимеры, обеспечивающие достаточно длительное сохранение и воспроизводство уже можно рассматривать в качестве первичных организмов. Их развитие, в свою очередь, исключило условие дальнейшего самозарождения жизни. Энергетическими источниками подобного процесса могли служить грозовые разряды, энергия действующих вулканов или, возможно - ультрафиолетового излучения не сдерживаемого озоновым экраном.

Подобные условия и эффекты, напоминающие преобразование природных неорганических химических соединений в органические, были обнаружены в горячих газах курильского вулкана Алаид, в гидротермальных растворах источников Камчатки и Курильских островов, смоделированы в лабораторных условиях. Сложные органические вещества, вплоть до аминокислот, и синезеленых водрослей обнаружены в ряде каменных метеоритов, в частности, так называемых углистых хондритах.

Наиболее древние остатки жизнедеятельности организмов, обнаруженные в Трансваале в породах, возраст которых определяется 3,1-3,4 млрд. лет (напомним. что возраст планеты Земля составляет около 4,5 млрд. лет.) представляют собой микроскопические изолированные палочки. длиной 0,45-0,7 мк и диаметров 0,18-0,32 мк, имеющие двухслойные оболочки толщиной 0,015 мк. Там же обнаружены нитеподобные образования, а также многочисленные шаровидные, дисковидные и многоугольные оболочки микроскопических водорослей. Палеонтологические данные позволяют, однако, полагать, что при любых причинах образования жизни, ее дальнейшее развитие состоит в непрерывном изменении, эволюционировании живых организмов. Согласно теории эволюции современные организмы возникли от более древних форм жизни, унаследовав от них ряд признаков и претерпели различные модификации.

Генетические основы эволюции. Любой организм содержит в себе информационный запас развития, который определяется содержащимся в нем генетическим материалом, унаследованным от организмов предыдущего поколения. Единицами такого генетического материала (и информации) являются гены. Однако гены могут нести не только сходные черты, но и различия, вызванные наследственными изменением генетического материала, называемым мутациями. Мутации могут, в свою очередь, вызываться ошибками при копировании генетического материала, возникать в результате химического воздействия или излучения. Они случайны, весьма редки (лишь у нескольких особей одна на 100 000) и в большинстве случаев неблагоприятны для своего носителя.

Помимо мутационной, изменчивость также возникает в результате смешивания генов при половом размножении, потому что каждый потомок получает половину генов от каждого из родителей. Общая сумма всех генов, имеющихся у данной популяции составляет ее генофонд.

Можно оценить, сколько раз встречается тот или иной ген в данной популяции и определить частоту его встречаемости, например в первом и втором поколении. Разница покажет нам изменения в генетическом фонде, то есть эволюцию, происходящую в популяции. Под популяцией в экологии понимается совокупность организмов одного вида, в той или иной степени изолированная от других таких же совокупностей, способная длительно существовать на единой территории, самовоспроизводиться и изменяться вследствие преимущественного размножения тех или иных групп входящих в ее состав особей. Таким образом, эволюция популяции есть изменение частоты встречаемости одного или нескольких генов в данной популяции, от поколения к поколению. Эволюционирующая компонента то есть компонента, изменяющаяся во времени, определяет популяцию, а не отдельный, входящий в нее организм. Однако, накопление изменений частоты некоторых генов в генофонде на протяжении многих поколений может привести к резким изменениям и в популяции.

Находки организмов, ныне не существующих на Земле, убеждали в том, что в разное время Землю заселяли разные их виды. Геолог Чарльз Лейаль (рис.1.4) опубликовал в 1830 г. первый том “Основания геологии”, в котором доказывал постепенность геологического развития Земли.

В 1809 г. Жан Батист де Ламарк (рис.1.5) выдвинул идею, что организмы на протяжении всей своей жизни могут приобретать признаки, повышающие их приспособленность к среде обитания, эти признаки они могут передавать своим потомкам. Суть этой теории, получившей название ламаркизм, чаще всего иллюстрируют примором с шеей жирафы. Так как жирафам постоянно приходилось вытягивать шею, чтобы дотянуться до листьев на деревьях, рассуждал Ламарк, то их шеи вытягивались и они передавали такую удлиненную шею своим потомкам.

Однако вскоре появилась революционная теория эволюции путем естественного отбора выдвинутая Чарльзом Дарвиным (рис.1.6) и Альфредом Расселом Уоллесом (рис.1.7).

Примечательно, что за несколько дней до того, как Ч.Дарвин готовился передать свой доклад в издательство, Альфред Рассел Уоллес прислал ему свой очерк, посвященный вопросам эволюции. Между тем идеи, относящиеся к эволюции, были практически идентичны и Лейаль настоял на том, чтобы тот и другой материалы были опубликованы совместно. Соответственно в 1858 г. ими и была выдвинута теория эволюции на заседании лондонского Линеевского общества. А в 1858 г. была опубликована монография Ч.Дарвина “Происхождение видов” в которой была описана эволюция на основе механизма естественного отбора. Книга была иллюстрирована многочисленными примерами и вызвала множество споров, ибо противоречила библейским положениям о происхождении видов и утверждала, что эволюция может происходить и без вмешательства человека или божественного начала.

В качестве классического примера естественного отбора и преобразования вида, происходящего на популяционном уровне, было рассмотрено изменение цвета бабочки березовой пяденицы на севере Англии в результате развития там промышленного производства. Биологи обратили внимание на то, что бабочки серого цвета за последние 100 лет стали сравнительно редки и были замещены бабочками черного цвета (рис.1.8). Особенно заметно это было вблизи крупных промышленных городов. Причина такого смещения цвета была предположительно связана с гибелью светло-серых лишайников и почернением стволов деревьев от копоти, образующейся при сжигании угля. Белые бабочки были лучше видны на темных стволах деревьев и в первую очередь становились жертвами птиц.

Был проделан классический эксперимент - выращено в лаборатории и помечено большое количество черных и светлых бабочек, которые были выпущены на волю в загрязненной и незагрязненной местности. Процент выловленных черных бабочек был вдвое выше в загрязненной местности, нежели незагрязненной. С другой стороны, в незагрязненной местности птицы выловили на глазах у наблюдателей черных бабочек вдвое больше, нежели светлых. Следовательно, в загрязненной местности птицы поедают больший процент бабочек, содержащих ген светлой окраски и больший шанс выжить до половой зрелости и оставить потомство принадлежащее бабочкам, несущим ген серой окраски.

Надобно заметить, что именно лишайники, получающие материал для построения своих тканей непосредственно из воздуха, при его загрязнении гибнут в первую очередь. В этом отношении лишайники являются прекрасными индикаторами состояния воздушной среды в многолетнем разрезе.

Случайность в генетическом отборе может иметь порой решающее значение. Случайные мутации, могущие возникать в результате генетической ошибки или благодаря какому то однонаправленному воздействию, например физическому или химическому на генетический аппарат отдельных особей могут привести к устойчивому их изменению.

Модель постепенной эволюции не укладывается в имеющиеся палеонтологические материалы, в частности сходство многих очень древних организмов с современными. Казалось бы, они, эти организмы, должны были бы измениться более существенно. И наоборот, буквально за несколько тысяч лет появлялись новые виды. На этом основании была разработана модель прерывистой эволюции, совмещавшая в себе возможность медленного эволюционного развития с революционным взрывным.