Жизнь и ее происходжение

Жизнь и ее происходжение

4

26

Механистический материализм, характерный для классической науки Нового времени, не признавал качественной специфики живых организмов и представлял жизненные процессы как результат действия химических и физических процессов. Поэтому механицизм отождествлял живые организмы со сложными машинами. Но такой подход неверен в самой своей основе, ведь аналогия между живым существом и машиной не объясняет причину целесообразности живого организма. Механицизм и его более поздняя разновидность - редукционизм, всякий раз беспомощно останавливались перед проблемой сущности жизни.

Противоположной точкой зрения стал витализм, который объяснял качественное отличие живого от неживого наличием в живых организмах особой «жизненной силы», отсутствующей в неживых предметах и не подчиняющейся физическим законам. Такое решение проблемы сущности жизни тесно связано с признанием факта творения ее Богом, разумным материальным началом и т.д.

К концу XX в. биологи стали намного больше знать о том, что такое жизнь, как она устроена, каковы ее существенные признаки. Тем не менее, современные предположения о сущности жизни во многом остаются гипотетичными. С этим связано отсутствие общепринятого определения жизни.

На обыденном уровне мы все интуитивно понимаем, что представляет собой живое, а что - неживое. Однако при попытке четко сформулировать определение жизни возникают большие трудности, так как сущность жизни понимается и определяется неоднозначно.

Большинство ученых убеждено, что жизнь представляет собой особую форму существования материального мира. До конца 1950-х годов в научной и философской литературе общепринятым было знаменитое определение Ф. Энгельса, в котором говорилось, что жизнь есть способ существования белковых тел, состоящий и постоянном самообновлении химических составных частей этого тела. Но постепенно стало очевидным, что субстратная основа жизни не сводиться только к белкам, а функциональная - к присущему белковым телам обмену веществ.

Также ученым удалось точно установить, что качественное отличие живого от неживого заключено в структуре их соединений, строении и связях, особенностях функций, характеристике и организации протекающих внутри организма процессов. Кроме того, жизнь отличается динамичностью и лабильностью. Но при этом можно говорить о полном тождестве химических элементов, входящих в состав живого и неживого.

На основании новых данных во второй половине XX в. появились новые определения жизни. Среди них - определение жизни как апериодического кристалла, данное Э. Шредингером. Интересно определение жизни как космической организованности материи Г. Югая. Существуют также определения, подчеркивающие энергетический аспект жизни - ее противостояние энтропийным процессам. А в определении канадского биолога Г. Селье жизнь понимается как процесс непрерывной адаптации организмов к постоянно изменяющимся условиям внешней и внутренней среды. При этом организм оказывается способным поддерживать стабильность всех своих структур и функций, не смотря на воздействие различных внешних факторов.

Современная биология в вопросе о сущности жизни все чаще идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. Акцент делается на то, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни. Таково определение жизни Б.М. Медникова. Он называет жизнью активное, идущее с затратой энергии поддержание и воспроизведение специфических структур, обладающих следующими свойствами: наличие генотипа и фенотипа; репликация генетических программ матричным способом; неизбежность ошибок на микроуровне при репликации, приводящих к мутациям; многократное усиление этих изменений в ходе формирования фенотипа и их селекция со стороны факторов внешней среды.

В этом определении акцент сделан на то, что жизнь связана с воспроизведением характерной для каждого вида упорядоченности. При этом организм воспроизводит себя и поддерживает свою целостность за счет использования элементов окружающей среды с более низкой упорядоченностью.

Для того чтобы понять сущность жизни, необходимо, прежде всего, установить, что такое живое и чем оно отличается от неживого. К числу свойств живого обычно относят следующие признаки:

* живые организмы характеризуются сложной упорядоченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах;

* живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно используют солнечную энергию;

* живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Способность реагировать на внешнее раздражение - универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных;

* живые организмы не только изменяются, но и усложняются;

* все живое размножается. Способность к самовоспроизведению - один из самых главных признаков жизни, так как в этом проявляется действие механизма наследственности и изменчивости, определяющих эволюцию всех видов живой природы;

* живые организмы передают потомкам заложенную в их генах информацию, необходимую для жизни, развития и размножения. Ген - единица наследственности, являющаяся мельчайшей внутриклеточной структурой. Генетический материал определяет направление развитие организма. Вот почему потомки похожи на родителей. Однако эта информация и процессе передачи несколько меняется, искажается, что делает потомков отличными от своих родителей;

* живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания и соответствуют своему образу жизни. В обобщенном и упрощенном варианте все отмеченное можно выразить в выводе, что все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе. Естественно, что все эти признаки должны быть отражены в определении жизни. Таким образом, можно предложить следующее определение: жизнь - высшая из природных форм движения материи, она характеризуется самообновлением, саморегуляцией и самовоспроизведением разноуровневых открытых систем, вещественную основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения.

Поскольку жизнь неразрывно связана со своего обитания, начало жизни следует изучать в тесной связи с теми космическими и геологическими процессами, в ходе которых образовалась и развивалась наша планета.

Завершение этапа космической эволюции Земли, в ходе которой она сложилась из планетезималий, произошло около 4,5 млрд. лет назад. После этого наша планета стала постепенно остывать, формируя кору, а также атмосферу и гидросферу за счет дегазации лав, выплавлявшихся из верхней мантии при интенсивном вулканизме. Есть достаточно доказательств, что при этом на поверхность Земли поступали пары воды и газообразные соединения углерода, серы и азота.

Первичная атмосфера Земли была очень тонкой, разреженной, атмосферное давление у поверхности не превышало 10 мм ртутного столба. По составу она была схожа с теми газами, которые «сбрасывались при извержении вулканов. Это подтверждает анализ пузырьков газа, обнаруженных в протоархейских породах (60% - углекислота, 40% - соединения серы, аммиака, метана, другие окислы углерода, а также пары воды). Первичная атмосфера не содержала свободного кислорода, поскольку его не содержали вулканические газы.

Воды первичного океана имели примерно такой же состав, как и сегодня, но в них так же, как и в атмосфере, отсутствовал свободный кислород. Таким образом, свободный кислород, а значит, и химический состав современной атмосферы, как и свободный кислород океанов Земли, не были первоначально заданы при рождении нашей планеты как небесного тела, а являются результатом жизнедеятельности первых живых организмов, составивших первичную биосферу Земли.

Под действием солнечных и космических лучей, проникавших через разреженную атмосферу, происходила ионизация, превращавшая атмосферу в холодную плазму. Поэтому атмосфера ранней Земли была насыщена электричеством, в ней вспыхивали частые разряды. В таких условиях шло быстрое и одновременное синтезирование разнообразных органических соединений, среди которых были и весьма сложные. Эти соединения, как и те, что попали на Землю в уже готовом виде из космоса, представляли собой подходящее сырье, из которого на следующей стадии эволюции могли образовываться аминокислоты и нуклеотиды.

Радиоактивный разогрев недр Земли пробудил тектоническую активность, заработали вулканы, выделявшие огромное количество вулканических газов. Это уплотнило атмосферу, отодвинув границу ионизации в верхние слои. При этом процесс образования органических соединений продолжался.

Частые грозы с длительными ливнями приносили эти элементы в водоемы, покрывавшие нашу планету, добавляя их к тем, что уже были растворены в них. Таким образом, были накоплены большие запасы органического сырья. По некоторым подсчетам, его масса оценивается в 1016 кг, что всего на 2-3 порядка меньше массы современной биосферы. Согласно расчетам, концентрация этого вещества в водах океана составляла 1%.

После того, как углеродистые соединения образовали «первичный бульон», могли уже организовываться биополимерьг - «аминокислоты и нуклеотиды, «кирпичики» белков и нуклеиновых кислот. Необходимая концентрация веществ для образования биополимеров могла возникнуть в результате осаждения органических соединений на минеральных частицах, например на глине или гидроокиси железа, образующих ил водоемов. Кроме того, органические вещества могли образовывать 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.

Дальнейший этап биогенеза связан с концентрацией органических веществ и появлением протобионта - молекулы РНК в результате скачка, приведшего к образованию живого из неживого. Протобионты представляли собой системы органических веществ, покрытых оболочкой, способных взаимодействовать с окружающей средой, то есть расти и развиваться за счет поглощения из окружающей среды богатых энергией веществ, а также умеющих размножаться, передавая полезные признаки своим потомкам.

К сожалению, механизм перехода от сложных органических веществ к простым живым организмам наукой пока не установлен. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему. В соответствии с ней между первичными сгустками органических веществ (коацерватов) могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей стабильность данным сгусткам. Именно с появлением мембраны можно говорить о рождении клетки.

Все трудности, которые возникают у ученых при решении проблемы происхождения жизни, мы описали выше. Тем не менее, жизнь возникла и после этого стала развиваться быстрыми темпами, претерпевая изменения, а также меняя окружающую ее среду, весь облик нашей планеты.

Вплоть до середины XIX века единственной альтернативой креационизму была концепция многократного самозарождения жизни из неживого вещества. Эта точка зрения возникла в древности в связи с тем, что повседневные наблюдения показывали, как в мусорных кучах, гниющих отбросах постоянно появляются личинки, черви, мухи. Поскольку о существовании микроорганизмов в те времена еще не было ничего известно, считалось, что все низшие организмы появляются путем самозарождения. То же самое говорилось о головастиках, которые, как считалось, самозарождались из ила.

Данную концепцию поддерживали такие крупные ученые и выдающиеся мыслители, как Аристотель, Парацедьс. Гарвеи, Коперник, Галилей, Гете, Декарт, Шеллинг и др. их авторитет во многом определил длительный срок существования идеи самозарождения и ее широкое распространение. Достаточно сказать, что опыты Франца Ради, проведенные еще в XVII п., доказали невозможность самозарождения червей и гниющего мяса при отсутствии мух. Реди известен нам и сегодня, как автор знаменитого принципа, получившего ею имя: «Все живое - от живого». Поэтому Реди стал основоположником концепции биогенеза, утверждавшей, что жизнь возникает только из предшествующей жизни. В XVIII веке итальянец Л. Спаллинцани провел опыты с мельчайшими существами, доказав, что в прокипяченных органических настоях не могут самопроизвольно зарождаться микроорганизмы. Но эти эксперименты не оказали серьезного влияния на господствующую в науке концепцию спонтанного самозарождения.

Лишь в 60-е годы XIX в. в развернувшейся между Ф.А. Пуше и Л. Пастером дискуссии, потребовавшей экспериментальных исследований, 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, проведя стерилизацию (пастеризацию), то никакого самозарождения не произойдет. Опыты Пастера подтвердили принцип Реди и показали научную несостоятельность концепции спонтанного самозарождения организмов. Но, опровергнув эту концепцию, Пастер, к сожалению, не предложил никакой другой идеи. Поэтому в середине XIX в. наука не могла ничего утвердительно сказать о том, как возникла жизнь на Земле.

Слабой стороной концепции является невозможность объяснения самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам, ведь ни в одном из поставленных экспериментов получить жизнь так и не удалось. Кроме того, Опарин допускает возможность самовоспроизведения коацерватов при отсутствии молекулярных систем с функциями генетической кода. Иными словами, без реконструкции эволюции механизм наследственности объяснить процесс скачка от неживого к живому не удается.

Попытки решить вопрос о жизни предпринимались философами и учеными на протяжении многих веков. Своими корнями они уходят в эпоху античности. С тех пор прошло более двух с половиной тысяч лет, но в биологии существует лишь шесть концепций, объясняющих происхождение жизни: креационизм - сотворение жизни Богом; концепция стационарного состояния - идея вечности жизни; концепция многократного самозарождения живого из неживого вещества; концепция панспермии - возникновение жизни из космоса; случайное однократное происхождение жизни; закономерное происхождение жизни путем химической эволюции.

В зависимости от ответа на вопрос о первичности белков или нуклеиновых кислот, все существующие гипотезы и концепции можно разделить на две большие группы - голобиоза и генобиоза.

Рассмотренная нами концепция Опарина относится к группе голобиоза - методологического подхода, утверждающего первичность структур клеточного типа способных к элементарному обмен веществ при участи ферментных белков. Появление нуклеиновых кислот в этой концепции считается завершением эволюции, итогом конкуренции протобионтов. Эту точку зрения можно назвать субстратной.

Сторонники генобиоза исходят из убеждения в первичности молеклярной системы со свойствами первичного генетического кода. Эту группу гипотез и концепций можно назвать информационной. Примером этой точки зрения может служить концепция Дж. Холдейна. Согласно ей, первичной была не структура, способная к обмену веществ с окружающей средой, а макромолекулярная система, подобная гену и способная к саморепродукции, и поэтому названная им «голым геном».

Вплоть до 1980-х годов имело место четко выраженное противостояние гипотез голобиоза и генобиоза. Оно обрело форму дискуссии при обсуждении вопроса, что старше - голый ген (способность к генетической репродукции) или белковый протобионт (способность к метаболизму). В иной трактовке эта дискуссия стала представлять собой противостояние двух концепций - информационной (генетической) и субстратной (обменно-метаболической).

В рамках этой дискуссии большую популярность приобрела гипотеза английского биохимика П. Деккера, принадлежавшая к направлению голобиоза. Он предположил, что структурной основой предка - биоида - были жизнеподобные неравновесные диссипативные системы. С точки зрения Деккера, они представляли собой открытые микросистемы с мощным ферментативным аппаратом. Биоид подвергался мутациям, накапливал при этом информацию, после чего эволюционировал.

Тем не менее, к началу 1980-х годов чаша весов стала склоняться в пользу концепции генобиоза. Во многом это произошло благодаря новому истолкованию открытого еще Л. Пастером свойства молекулярной хиральности живых организмов. Постепенно ученым стало ясно, что стереохимический код передается одновременно с генетическим кодом. То есть сегодня считается, что если молекулярная хиральность - изначальный и фундаментальный признак живой материи, то способность возрождать хирально чистые молекулярные блоки зародилась столь же раж как и способность к генетической саморепродукции. Функций стереохимического кода стало кодирование построения хирально чистых мономеров, без которых невозможно комплиментарное взаимодействие молекул субстрата и ферментов при биохимических реакциях. Это кодирование производится с помощью молекул ДНК или РНК.

Но оставался нерешенным вопрос о том, какая из этих информационных молекул появилась первой и сыграла роль матрицы для первичной комплиментарной полимеризации? Кроме того, по-прежнему стоял вопрос, как могла функционировать протобиотическая система в отсутствие ферментных белков, если мы допускаем, что они появились позже?

Ответ на эти вопросы был получен к концу 1980-х голов. Он гласил, что первичной была молекула РНК, а не ДНК. Признание этого факта было связано с наличием у РНК уникальных свойств. Оказалось, что она наделена такой же генетической памятью, как и молекула ДНК. Далее была установлена настоящая нездесушность РНК - стало ясно, что нет организмов, в которых отсутствовала бы РНК, хотя есть множество вирусов, геном которых не содержит ДНК. Также, вопреки устоявшейся догме, утверждавшей, что перенос генетической информации идет в направлении от ДНК к РНК и белку, оказался возможным перенос лей информации от РНК к ДНК при участии фермента, открытою в начале 1970-х годов.

В начале 1980-х годов была установлена способность РНК к саморепродукции в отсутствии белковых ферментов, то есть была открыта ее автокаталитическая функция. Это объясняло все нерешаемые ранее вопросы. Таким образом, сегодня считается, что протобионт представлял собой молекулу РНК. Древняя РНК была транспортной и совмещала в себе черты, как фенотипа, так и генотипа. Иными словами, она могла подвергаться как генетическим преобразованиям, так и естественному отбору. Сегодня уже очевидно, что процесс эволюции шел от РНК к белку, а затем к образованию молекулы ДНК, у которой С-Н связи более прочны, чем С-ОН связи РНК.

Очевидно, что возникновение хиральности, а также первичных молекул РНК не могло произойти в ходе плавного эволюционного развития. Судя по всему, имел место скачок со всеми характерными чертами самоорганизации вещества, об особенностях которой уже говорилось выше.

В 1990-е годы появился еще ряд версий, в соответствии с которыми жизнь могла появиться в геотермальных источниках на морском дне, в тонких пленках органического вещества, адсорбированного на поверхности кристаллов пирита или апатитов. Их появление вызвано некоторыми недостатками концепции генобиоза, но они еще не получили достаточного обоснования и развития.

Следующим этапом в процессе появления жизни стало рождение настоящей живой клетки. Сегодня ученые знают о первичной клетке (археклетке) намного больше, чем раньше. Археклетка была первичным живым организмом. У нее, очевидно, была двухслойная оболочка (мембрана), она обладала способностью всасывать через нее протоны, ионы и мелкие молекулы, а ее метаболизм основывался на низкомолекулярных углеродных соединений. В археклетке существовал клеточный скелет, отвечавший за ее целостность, а также обеспечивающий возможность ее деления. Жизнедеятельность клетки обеспечивалась за счет аденозинтрифосфоной кислоты.

Возможно, археклетки были схожи с недавно открытыми археобактериями и представляли собой прото-эукариотную систему, дальнейшая эволюция которых шла как по линии приобретения новых свойств эукариотами, так и по пути их утраты прокариотами. Этот процесс занял несколько миллиардов лет. Считается, что первые прокариоты появились более 4 млрд. лет назад. Ими были бактерии и сине-зеленые водоросли - практически бессмертные организмы жившие и очень сложных условиях. Эукариоты появились около 2.6 млрд. лет назад, они уже не были бессмертными, и с их появлением процесс эволюции жизни начал ускоряться.

Существует три гипотезы, объясняющих появление эукариотной клетки.

Согласно аутогенной версии усложнение археклетки шло постепенно по пути приобретения все новых внутренних структур и функций, результатом чего стало появление оформленного ядра.

Существует гипотеза симбиогенеза, которая предполагает, что качественное усложнение клетки и появление в ней ядра произошло в результате внедрения нескольких прокариотных клеток в клетку-хозяина.

Гипотеза споры сводит процесс образования эукариотной клетки к спорообразованию, свойственному многим одноклеточным организмам. Существует возможность торможения процесса спорообразования в результате мутации, что привело к образованию прокариотов. Если же таких мутаций не было, то появились эукариоты.

Какая из этих гипотез верна, покажет будущее.