Современные конкретно-научные предпосылки решения вопроса о возникновении жизни
В настоящее время вопрос об условиях и путях возникновения жизни из теорий самозарождения и панспермии перерастает в вопрос об условиях и путях возникновения основных молекулярных структур живого (нуклеиновых кислот, белков) и возникновения строго согласованной системы этих молекулярных структур, которая обладала бы способностью самовоспроизведения и тем самым положила бы начало жизни. Исследования происхождения молекулярных структур живого начинают выделяться в особый раздел биологии, изучающий так называемую биохимическую эволюцию.
Среди современных теорий появления жизни следует отметить живучую идею пансермии, приобретающую новые формы. Одним из ее ревностных приверженцев является Нобелевский лауреат Ф. Крик, считающий, что некая "примитивная форма жизни была сознательно занесена на Землю другой цивилизацией". Его сторонники выдвигают сейчас предположения о возможности переноса из космоса в готовом виде отдельных молекулярных структур живого (нуклеиновых кислот или их компонентов, аминокислот, углеводов). Так, В.Ф. Купревич, настаивая на идее панспермии обосновывает ее наличием в составе внеземных объектов сложных химических веществ, что есть свидетельство присутствия "живой" материи в глубинах Вселенной.
Вторая точка зрения возникла в начале XX в. Ее автором считается А.И. Опарин, который в 1924 г. на собрании Русского ботанического общества высказал идею о возникновении жизни в результате химической эволюции на первичной Земле.
Позднее, вполне самостоятельно к такому же выводу пришел английский учёный Дж. Холдейн. Оба они подчеркивают огромную роль первичного океана как огромной химической лаборатории, в которой образовался "первичный бульон", а кроме того, и роль энзимов – органических молекул, которые многократно ускоряют ход химических процессов. Биологическая система, способная к воспроизведению, возникает в результате химической эволюции, перешедшей затем, в более сложную форму – биологическую. Сложную химическую эволюцию современная наука выстраивает следующим образом: атомы – простые соединения – простые биоорганические соединения – макромолекула – организованные системы.
В качестве таких систем, как предполагает Опарин, могли быть коацерватные капли, состоящие из слабодифференцированных белковоподобных и других высокомолекулярных структур. Эволюционное развитие таких биологических систем одновременно сопровождается специализацией их молекулярных структур.
И, наконец, третья точка зрения. Ее сторонники прилагают усилия для выяснения возможности синтеза молекулярных структур живого на самой Земле, в отличие от последователей идеи панспермии, предполагающих наличие этих структур в космосе и механическое перенесение их на Землю. В этом направлении по синтезу аминокислот, пуринов и порфиринов получены ряд положительных результатов. Исходным пунктом этих исследований является предположение, что состояние атмогидро- и литосферы Земли в эпоху формирования жизни создавало все необходимые условия для синтеза первичных молекулярных структур живого. Некоторые исследователи, основываясь на роли ДНК в современных формах организмов, считают что жизнь ведет свое начало от случайным образом возникшей специализированной молекулы нуклеиновой кислоты, которая, обладала свойством воспроизводить совершенно сходные с нею молекулы. Эта нуклеиновая кислота затем объединяется с белковым ферментом (также случайно возникшим), после чего воспроизведение молекулы нуклеиновой кислоты начинает происходить с помощью фермента. Отличие этой концепции от идей Опарина и Холдейна состоит в том, что жизнь возникает случайно и путем механического объединения нуклеиновых кислот и белка.
Две последние концепции, несмотря на их различия, исходят из единой посылки – признания того факта, что возникновение жизни в условиях первичной Земли есть результат эволюции материи. Это убеждение основано на единстве химической основы жизни, построенной из нескольких простых и самых распространенных по Вселенной атомов (см. табл.).
Таблица
Распространение химических элементов
| Содержание % | |||
| Вселенная | Солнце | Растения | Животные | |
| Водород | 81,76 | 87,0 | 10,0 | 10,0 |
| Гелий | 18,17 | 12,9 | – | – |
| Азот | 0,33 | 0,33 | 3,0 | 18,0 |
| Углерод | 0,33 | 0,33 | 3,0 | 18,0 |
| Магний | 0,33 | 0,33 | 0,03 | 0,05 |
| Кислород | 0,3 | 0,25 | 79,0 | 65,0 |
| Сера | – | – | – | – |
| Железо | 0,01 | 0,004 | 0,15 | 0,254 |
| Кремний | – | – | – | – |
Основываясь на таком единстве, сторонники теории эволюции считают, что ее начало положено нуклеосинтезом в солнечной системе, когда образовались основные элементы, в том числе и биогенные. Начальное состояние – нуклеосинтез – быстро переходит в процесс образования различных по сложности химических соединений. Этот процесс протекает в условиях первичной Земли со все нарастающей сложностью обусловленной общекосмическими и конкретными планетарными изменениями.
Общекосмические изменения имеют единую химическую основу. Жизнь развивается на этой единой основе. Это допущение приводит к заключению, что на любой планете во Вселенной, которая похожа на нашу по массе и расположению относительно центральной звезды, может возникнуть жизнь. Согласно представлениям видного американского астронома Х. Шепли, во Вселенной имеется 10 в 8 степени космических тел (планет или звезд-лилипутов), на которых может возникнуть и существовать жизнь.
Главное условие возникновения жизни имеет с этой точки зрения планетарную причину и определяется массой планеты. Такое утверждение имеет геоцентрический и антропоцентрический характер. Правда, в пользу этой концепции служит тот факт, что жизнь подобная земной, может возникнуть и развиваться на планете, при следующем условии: масса планеты не должна превышать 1/20 массу Солнца. Если она больше, то на ней начинаются интенсивные ядерные реакции, что повышает ее температуру, и она светится как звезда. Таковы планеты Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Планеты с малой гравитационной массой (Меркурий) имеют слабое гравитационное поле и не могут продолжительное время удерживать атмосферу, которая необходима для развития жизни. Из планет Солнечной системы подходящую массу имеют Марс и Венера, но там отсутствуют другие условия. По мнению советского астрофизика В.Г. Фесенкова, во Вселенной 1 % планет имеют подходящую массу. К другим условиям возникновения жизни относят: наличие воды и определенного уровня радиации.
В целом эволюционные концепции, при многих своих недостатках дают возможность сделать чрезвычайно важный материалистический вывод: возникновение жизни на Земле есть часть общей эволюции материи во Вселенной.
В пользу теории эволюции служат также материалы исследований метеоритов и образцов лунного грунта. В них обнаружен ряд аминокислот: саркозин, глицин, глютоминовая и аспаргиновая кислоты и др. Этот этап эволюции является, по мнению Дж. Бернала, этапом происхождения преджизни, который при последующей эволюции образует строительные блоки земной жизни.
Идеи Опарина и Холдейна нашли частичное подтверждение в лабораторных экспериментах 3. Грота и Х. Эюсса (1938 г.), У. Харрисона и М. Кельвина (1951 г.), С. Миндра (1953 г.) по получению из газовой пыли, смеси водных и газовых паров аминокислот и других органических соединений. Дальнейший ход химической эволюции связывается с образованием земной коры, из которой будущие живые организмы черпают металлы и другие неорганические и органические компоненты, необходимые для построения тела и обмена веществ и с началом формирования первичных литосферы, гидросферы и атмосферы. Эти первичные условия подкреплялись достаточным количеством солнечной и тепловой энергии, что и привело в совокупности к образованию основных биохимических молекул. На следующем этапе происходит укрупнение молекулы и формирование сложных макромолекул с открытой пространственной структурой, что способствует росту, делению, то есть механическому воспроизведению.
Как полагает Опарин, с появлением самовоспроизведения органических молекул началась биологическая эволюция, приведшая к возникновению жизни, поскольку был сформирован механизм передачи информации от живого к живому. Затем следует этап образования биологических мембран-органелл, ответственных за форму, структуру и активность клетки. Предполагается, что образование мембран, состоящих из агрегатов белков и методов, начинается еще в процессе формирования коацерватов. Но для перехода от коацерватов к истинной живой материи были необходимы не только мембраны, но и катализаторы химических процессов – ферменты. Предбиологический отбор коацерватов усиливает накопление белковоподобных полимеров, ответственных за ускорение химических реакции. Результаты отбора фиксировались в строении нуклеиновых кислот. При этом "отсеивалось" множество различных неудачных вариантов.
Генетический код, считает Опарин, сформировался, по-видимому, на последнем этапе эволюции фазово-обособленных органических систем, которые совершенствовали свою организацию путем предбиологического отбора самих систем. С этим периодом связано и начало специализации двух видов нуклеиновых кислот – ДНК и РНК. ДНК обозначилась как главный "программист и инспектор" молекулярного самовоспроизведения. РНК приняла на себя роль "информатора" и переносчика генетической программы. Разделение функций между двумя видами нуклеиновых кислот открыло новые горизонты перед эволюцией.
После образования генетического кода эволюция происходит по пути наращивания различных свойств пробионтов, в первую очередь фотосинтеза. Множество вариантов было "перепробовано" перед тем, как достигнуть следующего этапа – органелл. Дж. Бернан допускает, что до обособления клетки органеллы прошли стадию самостоятельной жизни.
На основе органелл развиваются примитивнейшие свободно живущие организмы – так называемые микоплазмы.
При всей привлекательности объяснения жизненных процессов, опаринская концепция "коацерватных капель", и теория "естественного отбора" имеют ряд недостатков. Они ещё не отвечают на вопрос как возникла жизнь. Основными свойствами живого организма помимо обмена веществ является наличие "кода". В коацерватных каплях его нет. Изобилие на первобытной земле всевозможных "строительных блоков", из которых построено все живое, еще не объясняет, как возникла и функционирует живая субстанция. Как произошел качественный скачок от неживого к живому гипотеза Опарина не объясняет. Как, впрочем, не объясняет это и теория нуклеиновых кислот. Они не могут существовать без белка в живых организмах. ДНК беспомощна без белка. А что возникло раньше: нуклеиновая кислота или белок? Этот вопрос возникает как барьер перед стремлением объяснить возникновение жизни. Взаимоотношения нуклеиновых кислот и белков можно сравнить, пишет М. Эйген, с замкнутым узлом.
В 1977 г. американский биохимик К. Воуз оповестил о результатах своих исследований, которые он объявил открытием первой формы жизни. В горячих источниках (65-70°С) Челлоустонского парка он обнаружил микроорганизмы, которые поглощают двуокись углерода и водорода и выделяют метан. Так как сегодня известны две основные формы жизни – растения и животные, то метанпроизводящие организмы объявлены третьей ее формой. Непонятно только третья ли это форма жизни или первая, из которой возникают две другие.
Взаимосвязь развития органического мира
с развитием всей планеты
Итак, при наличии многочисленных гипотез и экспериментальных исследований не получено поныне ни одного доказательства происхождения живого из неживого. Между этими двумя состояниями материи нет промежуточных ступеней, ведущих от инертного к одушевленному состоянию. Как заявил один из основоположников молекулярном биологии Ф. Крик: "Мы не видим пути от первичного бульона до естественного отбора. Можно прийти и выводу, что происхождение жизни – чудо, но это свидетельствует только о нашем незнании".
Не видя мостов между живым и неживым большинство исследователей едины в одном: живое, жизнь начинается с появлением клетки. Именно она образует истинную основу жизни. В какой-то мере можно признать ее закономерным итогом химической эволюции, если признать схему: атомы – простые молекулы – сложные макромолекулы и пробионты – одноклеточные механизмы. Но такой подход был бы весьма односторонним. Появление клетки, то есть становление жизни можно рассматривать только в единстве общекосмических и планетарных явлений и процессов. А это значит, что жизнь как форма движения материи должна исследоваться в комплексе естественно-научных дисциплин, занимающихся вопросами происхождения жизни планет и Вселенной. А это, одновременно, и мировоззренческие вопросы. Поэтому одними химическими и биологическими эволюционными теориями не прояснить сегодня вопрос о происхождении жизни. Необходимы новые подходы, которые оперировали бы понятиями физики, химии, но не теряли бы специфики живого. Таким подходом, отвечающим современному состоянию науки является, по нашему мнению, гипотеза В.И. Вернадского. В книге "Живое вещество" он писал: "Я буду называть живым веществом совокупность организмов, участвующих в геохимических процессах. Организмы, составляющие совокупность, будут являться элементами живого вещества."
В чем отличие идей Вернадского? Прежде всего его подход состоит в единстве естественнонаучных представлений и философских идей. Он связал воедино жизнь как форму движения материи с геологическими процессами Земли и биохимическим временем.
По существовавшей и существующей традиции палеонтологии утверждают, что после образования Земли 1,5-1,6 млрд. лет продолжался этап доорганизменного ее существования. Это был как бы провал в эволюции материи. Предполагается, что лишь в архейский период, то есть 3,5 млрд. лет тому назад в силу неясных причин происходит переход от химической эволюции к биохимической. Основывается этот вывод на находках первых молекулярных окаменелостей, найденных в древних породах. Спустя 400 млн. лет в осадочных породах встречаются синезеленые водоросли; в осадочных породах возрастом 3 млрд. лет находят биогенные образования – строматолиты; в формациях 2,7 млрд. лет – одноклеточные организмы со сложной внутренней структурой. Породы урановых и золотоносных бассейнов переполнены бактериями и одноклеточными водорослями. В этих же геологических слоях встречаются остатки различных групп растений от круглых одноклеточных форм до сложных расчлененных образований. Микроорганизмы в этот период уже множественны в видовых и родовых признаках.
Далее предполагается, что бактерии и сине-зеленые водоросли заложили основы жизни и пути к ее разнообразию.
Для Вернадского время существования планеты и время протекания жизни – одно целое. Жизнь геологически вечна. Возраст планеты неопределим, поскольку в любых структурах начало их распада – это завершение их формирования под влиянием собственной жизнедеятельности.
Выводы эти парадоксальны и противоречат всем эволюционистским теориям о последовательном образовании Земли как космического тела и появлении на ней жизни с последующим образованием биосферы. Космология утверждает, что вселенная наша имеет возраст 15-20 млрд. лет. Земля по данным космологии существует 5 млрд. лет. Цифра эта бесспорна, получена эмпирическими геологическими, радиологическими, астрофизическими данными.
Вернадский же со своими выводами о невозможности найти возраст Земли, поскольку, она носитель жизни стоит особняком. Он вкладывает различный смысл в слово "время" в физико-астрономической картине мира и биосферной.
Господствующие физико-астрономические представления и строящиеся на нем философские выводы предполагают, время и пространство имеют абсолютный характер с поправками теории относительности. Вернадский же связал жизнь и время более глубоким способом. Он доказывал обратную производность структур земной коры от отжившего вещества. Не только горные породы и ископаемые, но и атмосфера планеты, и даже гидросфера целиком продукт биосферы, результат жизнедеятельности животных, растений, бактерий. Через так называемые биогеохимические циклы – круговорот химических элементов в земной коре, подстегиваемый живыми организмами, запускается в действие вся машина геологических событий. Связь эта чаще всего не наглядна, завуалирована. Рассматривая ее в работе "Биосфера" Вернадским делает шесть основополагающих обобщений. 1. Никогда на Земле не наблюдалось зарождение живого от неживого. 2. В геологической истории нет эпох отсутствия жизни. 3. Современное живое вещество генетически родственно всем прошлым организмам. 4. В современную эпоху живое вещество так же влияет на химический состав земной коры как и в прошлые эпохи. 5. Существует константное количество атомов, захваченных в данный момент живым веществом. 6. Энергия живого вещества есть преобразования, аккумулированная энергия Солнца.
Во втором выводе Вернадский отстаивает мысль о влиянии живого на все слои земной коры. Именно отсюда вытекает парадокс о невозможности измерения возраста Земли как космического тела, ибо мы будем находить только структуры, переработанные живым веществом. Земля была оживлена всегда. Наше астрофизическое, а в большей степени ньютоновское мышление упирается в эту величину. "А что было до всегда?" Вся загадочность идей Вернадского связана с этим словом, а точнее с понятием времени, возраста, которые для него связаны с живым веществом.
В его характеристике время и живое вещество совпадают: жизнь и время необратимы, направлены из прошлого в будущее, то есть ассиметричны. Биологическое время отсчитывается сменой поколений, то есть оно содержательно. Физическое время не имеет содержания, оно имеет мерные единицы, оно бесструктурно и аморфно. Биологическое время, как называет его Вернадский, имеет совершенно четкие мерные единицы, которые нельзя заменить никакими другими. Жизнь представляется единым монолитом, а его "секундами" будут сами организмы. Мерной единицей жизни Вернадский считал делящиеся бактерии. Их изучение должно дать представление о внутреннем строении пространства и времени. И тогда парадокс отсутствия "начала" жизни в прошлых геологических эпохах разрешается следующим образом: время до создания биосферы – бессмыслица. "Всегда" без жизни нет. А есть, как отмечал в свое время русский философ В.Н. Муравьев, – другие формы времени, которые для нас не столь близки и понятны.
В работе "Размышления натуралиста" Вернадский утверждает, что геологическое время равно по длительности биологическому, что начала его нет и оно отвечает двум млрд. лет обращения Земли вокруг Солнца. Действительно, палеонтологи, как уже отмечалось выше, находят структуры явного биологического обмена из пород, возраст которых свыше 3 млрд. лет. И возможно следы живого можно будет найти и в более ранних слоях земной коры.
В пользу тезиса Вернадского о всеобщей оживленности планеты служит выявление функций биосферы. Живое вещество существует только в образе биосферы большого тела, отдельные части которого выполняют взаимоподдерживающие и взаимодополняющие функции по поддержанию жизни: окисляющие и восстанавливающие бактерии, микроорганизмы накапливающие вещества, необходимые для организма и разлагающие и т.д. Один или несколько организмов продержаться на Земле не смогут. Поэтому, считал Вернадский, в далекие времена жизнь не была хилой и слабой. По его расчетам скорость захвата организмами пространства необычайно велика. Бактерии могут за несколько дней нарастить массу, равную земному шару.
По-видимому, и здесь уместно отметить этот факт, – эволюционистские концепции происхождения жизни не учитывают многих вещей, которые не укладываются в схему ступенчатости, от простого к сложному. Так, можно проследить неизменность некоторых организмов на протяжении всей истории биосферы. Упорно не желают эволюционировать прокариоты, не содержащие в своих клетках ядра. И тем не менее примитивные прокариоты "встроены" почти в каждую химическую реакцию, происходящую на поверхности Земли: в горячих источниках, вулканические извержения и пр. Везде, где наблюдается повышенная концентрация химических элементов (магнитные аномалии, железнорудные бассейны и т. д.) надо искать прекариоты или, иначе, литотрофные бактерии.
Открыл их русский микробиолог С.Н. Виноградский. Он предположил, что для бактерий минеральные соединения (в частности сера) являются питательным веществом. Догадка подтвердилась. Так был открыт второй способ питания – минеральный в отличие от фотосинтетического. Переводя минеральные соединения из одной формы в другую они (литотрофы) извлекают при этом энергию и потому им не требуется ни солнечная энергия, как растениям, ни органические вещества, как животным, Это противоречит выводам биологии о том, что неорганические, минеральные вещества это только опорный компонент клеток, но не энергетический. Впоследствии выяснилось, что литотрофы составляют огромный отряд. По своим морфологическим особенностям и экологии они настолько не похожи на остальной мир, что образовали совершенно отдельное надцарство живой природы. Между ним и остальным живым миром такая же пропасть, как между живой и неживой материей. Кроме того, прокариоты способны выполнять свои функции в биосфере, что наводит на мысль о возможности биосферы, состоящей из одних прокариотов. Сегодня уже и некоторые биологи, сторонники эволюционизма вынуждены признать, что возможны формы жизни не нуждающиеся ни в воздухе, ни в воде. И вполне вероятно – утверждает г.П. Аксенов, – что все живое (животные, растения) – возникает на базе литотрофов. Для эволюционистов литотрофы и сине-зеленые водоросли существующие неизменными миллиарды лет – загадка. Понять ее можно лишь с позиций теории Вернадского: организм нельзя рассматривать отдельно от среды. Ведь сами они не изменяются, но изменяют своей деятельностью все вокруг.
Ныне нет фактов, опровергающих эмпирические обобщения Вернадского. И если в 30-е годы были надежды смоделировать некие первоначальные условия, приведшие к возникновению живого, то после открытия материального носителя наследственности эти исследования оказались в тупике. Между лабораторными органическим веществом и генетическими структурами, на основе которых строится все живое – незаполняемая ничем пропасть.
Итак, мы видим, что теория Вернадского принципиально отлична от эволюционистских теорий и в первую очередь временными свойствами биосферы. Дело даже не в том, что эволюционизм выводит живое из неживого, а теория Вернадского опровергает этот принцип. Несомненно, что эмпирические исследования Опарина, Холдейна, внесли огромный вклад в разгадку тайн живого в части строения его форм, уровней. Но большинство сторонников эволюционистской теории берут в качестве живого и условий его появления только формы растений и животных, и необходимые для их существования условий: воду, воздух, ограничиваются определенными свойствами живого в виде размножения, фотосинтеза и т.д. Эволюционисты настаивают на том, что жизнь, очевидно, начинается с клетки. Вернадский считал, что это лишь одна из форм жизни. Впоследствии его идеи развивал В.Ф. Купревич, полагая, что все космические объекты связаны с жизнью. И возможна она в других формах и на основе иных, отличных от земных соединений, например – кремниевых.
Эволюционистская теория претендует на то, чтобы охватить все уровни структурной организации жизни. Размножение, приспособляемость, адаптация предстают как основная движущая сила развития жизни вплоть до высшей ее формы – человека. Но это далеко не единственный критерий жизни и это удалось эмпирически доказать Вернадскому. В его теории содержится качественно иной вывод о функциях живого: основная функция живого – энергетическая, все морфологические структуры и физиологические процессы организмов подчинены им.
Каждая из представленных концепций охватывает определенную сферу материи, исследует ее формы, свойства и т.д. По-видимому, ни одна из них не может дать полное и всеобъемлющее понятие жизни. Сами по себе ни биология, ни химия, ни геология не сумеют объяснить, что же такое жизнь, как она возникает. Вероятно, необходим синтез наук о жизни. Он свидетельствует о многоаспектности проблемы, о том, что жизнь следует изучать и в ее целостности, и в частных формах, и в связи с более общими закономерностями развития материи. И в такой постановке вопрос требует изучения и в рамках эволюции, и биохимических процессов, и астрофизических и т.д.