Возникновение и начальное развитие жизни на Земле

Определение понятия «жизнь». В окружающем нас мире мы без труда одни тела относим к живым, другие – к неживым. Что же отличает живые тела от неживых? Этот вопрос с давних пор привлекал ученых и мыслителей, которые, желая дать краткое определение понятиям «жизнь», «живое тело», старались найти самое существенное, самое характерное в этих понятиях.

Известно несколько десятков различных определений жизни. Почти все они неудовлетворительны. Наиболее удачное определение жизни в книге «Анти-Дюринг» дал Ф. Энгельс: «жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел». Определение Ф. Энгельса состоит из двух частей. В первой части он указывает на отличительную особенность живых тел – содержание в них белков. Мы знаем, что белки являются главной и постоянной составной частью всех без исключения живых систем от самых примитивных до самых сложных и высокоорганизованных. «Повсюду, где мы встречаем жизнь,– писал Ф. Энгельс,– мы находим, что она связана с каким-либо белковым телом, и повсюду, где мы встречаем какое-либо белковое тело, не находящееся в процессе разложения, мы без исключении встречаем и явления жизни».

Белки – вещества с легко изменяемой структурой. Для живого состояния необходимо присутствие белков не в любой форме, но лишь в такой, которая сохраняет свою уникальную структуру, обладающую биологической активностью. При умирании организма или при повреждении клетки макромолекулы белков развертываются и переходят в денатурированное состояние. Белки, утратившие природную конфигурацию, немедленно уничтожаются и заменяются новосинтезированными белками. Белковый состав клетки в процессе жизни, таким образом, постоянно обновляется.

Во второй части своего определения Ф. Энгельс говорит о способе существования белков. Этот способ обмен веществ, при помощи которого поддерживается природная конфигурация белков и обеспечивается непрерывное их обновление.

Определение Ф. Энгельса, прекрасное по форме и глубокое по содержанию, до сих пор пользуется широким признанием. Однако после выхода в свет «Анти-Дюриига» прошло более ста лет. За это время в разных областях естествознания сделаны крупные открытия. В связи с этим многие ученые считают целесообразным расширить и дополнить характеристику живого тела. Считают, например, что живые тела открытые системы, т. е. существуют до тех пор, пока в них поступает энергия в виде пищи, а отбросы выделяются в окружающую среду. Указывают, что живые тела способны к авторегуляции, т. е. способны сохранять постоянство своего состава и свойств, что, кроме белков важной и постоянной их составной частью являются нуклеиновые кислоты.

Приведем одно из современных определений живого тела (предложено советским ученым М. В. Волькенштейном): «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров белков и нуклеиновых кислот». Обратите внимание на оговорку в этом определении: «Живые тела, существующие на Земле...» Очевидно, не исключается возможность, что на других планетах могут быть обнаружены живые тела, существенно отличающиеся от земных.

Развитие представлений о происхождении жизни. С незапамятных времен человек задавал вопрос: откуда берутся живые существа? В античное время и в средние века уровень развития биологии был очень низким. В тот период были распространены взгляды о том, что живые организмы самопроизвольно возникают из неживого материала. Вполне серьезно ученые считали, что лягушки в прудах возникают из ила, мухи – из грязи. Видный ученый средневековья Ван Гельмонт (1575 – 1640) в своей книге указывал на возможность зарождения мышей из грязного белья. Другой крупный .ученый той же эпохи врач Парацельс (1485 – 1540) опубликовал способ искусственного изготовления человека («гомункулюса»).

С развитием биологии, с усовершенствованием методов исследований позиции ученых, утверждающих возможность самопроизвольного зарождения жизни, были поколеблены. В 1661 г. итальянский врач Франческо Реди опубликовал результаты своих опытов. В каждый из восьми стеклянных сосудов он вложил свежее мясо. Четыре сосуда оставил открытыми, а четыре плотно накрыл марлей. Через несколько дней в мясе, лежащем в открытых сосудах, появились черви (личинки мух). На мясе в сосудах, обвязанных марлей, червей не было. Следовательно, они зарождаются не из самого мяса (как было принято считать), а из яиц, отложенных мухами. Это был неотразимый удар по представлению о самопроизвольном зарождении. Взгляды о самопроизвольном зарождении, однако, держались еще долго, особенно в области микробиологии.

Пастеровская колба
Рис. 99. Пастеровская колба

Исключительный интерес к проблемам самозарождения жизни побудил Парижскую Академию наук в 1860 г. назначить премию за ее решение. Премия была присуждена выдающемуся французскому ученому-химику и бактериологу Луи Пастеру (1822 – 1895) . Пастер поместил бульон в колбу с длинным узким горлышком S-образной формы [99]. Воздух в колбу проходил свободно, но микробы проникнуть в нее не могли, так как они оседали в S-образном колене горлышка. Затем Пастер прокипятил бульон, чтобы убить находящихся там микробов. Проходили месяцы, а содержимое колбы оставалось стерильным. Стоило, однако, колбу повернуть так, чтобы содержащийся в ней бульон обмыл S-образное колено горлышка и стек обратно в колбу, в ней вскоре начиналось гниение. Это происходило потому, что в бульон попадали микробы, находившиеся в S-образной части горлышка. Таким образом, невозможность самопроизвольного зарождения микроорганизмов была убедительно доказана.

Работы Пастера получили широкую известность и всеобщее признание. Во многом этому способствовало их огромное практическое значение. На их основе были разработаны методы стерилизации в области хирургии, а также консервной промышленности.

Любой организм, от самого примитивного до высокоорганизованного, рождается от живых организмов. Этот закон был сформулирован в виде краткого афоризма: «Все живое из живого». Другими словами, зарождение живого из неживого невозможно принципиально, т. е. никогда и ни при каких условиях. Но встал вопрос: каким же образом первоначально возникла жизнь на Земле?

Современные теории происхождения жизни. По данным космологии (наука о происхождении небесных тел), все планеты, и Земля в том числе, были когда-то раскаленными телами. Очевидно, в то время на Земле не могло быть жизни, так как одним из условий существования жизни является температура окружающей среды нс выше +50 ... +70°С. Каким же образом на абсолютно стерильной Земле возникла жизнь, появились организмы, способные к размножению и развитию?

Для того чтобы объяснить, каким образом возникла жизнь на Земле, была предложена гипотеза вечности жизни. Сущность се состоит в том, что зародыши жизни (споры растений, микроорганизмы) будто бы рассеяны в космическом пространстве и переносятся с планеты на планету под давлением света. Сторонниками этого взгляда были многие выдающиеся ученые, в том числе академик В. И. Вернадский.

Однако если бы даже было доказано, что на Землю могут попадать живые организмы с пылью и метеоритами, тогда каким же образом возникла жизнь на других планетах? По данным космологии, истории возникновения и развития планет, сходны. Все планеты проходят стадию раскаленных тел, и существование жизни в таких условиях немыслимо. Поэтому более обоснованной представляется другая точка зрения, согласно которой жизнь на Земле первоначально возникла на одном из этапов ее длительной эволюции из неорганической материи. Эта гипотеза была выдвинута в 1924 г. советским ученым, академиком А. И. Опариным. Она привлекла всеобщее внимание и завоевала многочисленных сторонников. А. И. Опарин и ученые, разделяющие его точку зрения, основываются на том, что весь окружающий нас мир находится, как выражаются философы, в движении. Следовательно, и возникновение клетки имеет длительную историю. Ей предшествовало создание более простых образований. Скорее всего вначале возникли вещества, из которых состоит клетка, – белки, нуклеиновые кислоты, АТФ и др. Зги вещества сложные, они могли возникнуть также в результате длительной эволюции. Иначе говоря, биологической эволюции предшествовала химическая эволюция. Но как это происходило и под влиянием каких факторов?

Земля вначале была. холодная, но в дальнейшем благодаря распаду содержащихся в ней радиоактивных элементов она стала разогреваться (в недрах температура достигала 1000°С и выше). Вещества Земли на этой стадии ее развитии вступали между собой в химические реакции. Среди продуктов реакций было много газов. Под громадным давлением они вырывались на поверхность Земли, благодаря чему образовалась ее первичная атмосфера. В ее составе, вероятно, содержалось много водяного пара – оксида углерода (IV) CO2, оксида углерода (II) CO, сероводорода H2S, аммиака NH3, метана CH4 и др. Молекулярного кислорода почти не было: этот активный элемент окисляет различные вещества и не достигает поверхности Земли. Обращают на себя внимание содержащиеся в первичной атмосфере Земли соединения углерода – основного элемента органических веществ.

После того как температура на поверхности Земли стала ниже 100°С, начался период дождей, вследствие чего образовались моря и океаны. В горячей дождевой воде растворялись аммиак, углекислый газ, метан, а также соли и другие вещества, вымываемые из поверхностных слоев Земли. Благодаря отсутствию в первичной атмосфере кислорода и озона, обладающих способностью поглощать ультрафиолетовые лучи и ионизирующие излучения, эти богатые энергией виды излучений воздействовали на поверхность Земли с большой интенсивностью. Грозы были часты, необычны по силе. Под влиянием ультрафиолетовых лучей, проникающего излучения и электрических разрядов между веществами, растворенными в первобытном океане, должны были происходить химические реакции, в результате которых могли образовываться химические соединения.

Первым шагом на пути возникновения жизни на Земле стал небиологический (абиогенный) синтез органических молекул из неорганических. Американский ученый С. Миллер и советские ученые А. Г. Пасынский и Т. Е. Павловская экспериментально доказали образование сложных органических соединений из неорганических веществ, которые могли находиться в водах первобытного океана, под влиянием электрических разрядов и ультрафиолетового излучении. Американские химики С. Фокс и К. Дозе показали, что в условиях, существовавших на первобытной Земле, мог происходить абиогенный синтез даже таких веществ, как белки. Органические вещества накапливались в воде первобытного океана. Они находились там вначале в виде очень разбавленного раствора.

Вторым шагом на пути возникновения жизни на Земле был процесс концентрирования органических веществ. По предположению академика А. И. Опарина, он происходил в силу присущей всем высокомолекулярным веществам способности самопроизвольно концентрироваться и образовывать так называемые коацерваты. Явление коацервации состоит в том, что при некоторых условиях (например, в присутствии электролитов) высокомолекулярные вещества отделяются от раствора, но не в форме осадка, а в виде более концентрированного раствора, который называется коацерватом. При встряхивании коацервата он разбивается на мелкие капельки [100].

Коацерватные капли
Рис. 100. Коацерватные капли

Исследования А. И. Опарина показали, что капельки коацервата способны поглощать из окружающего раствора различные вещества. Это напоминает процесс питания. В результате поглощения веществ капельки коацервата увеличиваются в размерах. Внешне это сходно с процессом роста. Можно подобрать такие условия опыта, при которых вещества, поглощенные коацерватом, будут вступать между собой в реакцию, а продукты этой реакции выделяться из коацервата в окружающую среду. Это похоже на процесс выделения из клетки продуктов обмена веществ. По мнению А. И. Опарина, между капельками коацервата происходит даже нечто напоминающее борьбу за существование, в результате которой в целости остаются капельки более устойчивые, более приспособленные к окружающей среде.

Однако в коацерватах еще отсутствует главный признак живого организма – способность к самовоспроизведению молекул, входящих в их состав. Важнейшей ступенью к жизни явилось возникновение молекул, способных к самовоспроизведению. Это, вероятно, были простейшие полинуклеотиды. Сборка на молекуле такой же по составу и структуре другой молекулы означала возникновение нового принципа химического синтеза – матричного синтеза, столь характерного для живых систем.

В процессе самовоспроизведения полинуклеотидных молекул в некоторых случаях возникали «ошибки», т. е. новая молекула полинуклеотида не вполне точно копировала исходную. В дальнейшем происходило копирование уже этой новой, измененной молекулы, таким образом возникали мутации. Частота их резко повышалась при воздействии излучений, особенно ионизирующих.

Первобытные организмы по способу питания были настоящими гетеротрофами, так как они использовали уже готовые органические вещества. По мере размножения организмов запасы органических веществ в первичном океане иссякали, а синтез новых не поспевал за потребностью. Началась борьба за пищу, в которой выживали более активные. Случайно приобретенные в результате наследственных изменений полезные в данных условиях признаки закреплялись отбором. По-видимому, именно так в процессе исторического развития произошло превращение первичных организмов в современную клетку: образовалась защитная оболочка вокруг нуклеиновой кислоты у вирусов или возник слой цитоплазмы вокруг ядра, образовалась наружная мембрана у клеток и т. д.

Крупным шагом на пути эволюции жизни было возникновение автотрофного питания. В условиях все уменьшающихся запасов органических соединений у некоторых организмов возникла способность к самостоятельному синтезу органических веществ из простых неорганических веществ окружающей среды. Энергию, необходимую для такого синтеза, некоторые организмы стали освобождать путем простейших химических реакций окисления и восстановления. Так возник хемосинтез.

Особенно крупным прогрессивным изменением типа ароморфоза было возникновение фотосинтеза, которое оказало громадное влияние на дальнейшую эволюцию жизни. В период возникновения жизни как в атмосфере, так и в океане не осталось свободного кислорода: этот активный элемент был связан другими элементами и находился в составе различных неорганических веществ. Поэтому первоначально организмы получали энергию путем бескислородных реакций органических веществ. Этот путь получения энергии малоэффективен и требует большого количества пищи. С развитием фотосинтеза и появлением в атмосфере и воде свободного кислорода возник новый путь освобождения энергии – кислородный путь расщепления, который примерно в 20 раз эффективнее бескислородного.

Земля в период возникновения на ней жизни подвергалась интенсивному воздействию излучения Солнца, которое было губительно для всего живого. Поэтому жизнь первоначально была возможна только в океане. По мере развития растений происходило накопление кислорода в атмосфере, часть его превращалась в озон, обладающий способностью интенсивно поглощать ультрафиолетовое и ионизирующее излучение. В результате стала возможна жизнь на суше. Жизнь «вышла» из воды и распространилась по всей поверхности Земли.

Часто спрашивают: «Возможно ли возникновение жизни на Земле небиологическим путем в наше время?» По-видимому, невозможно, так как, если бы где-нибудь произошло образование органических веществ, они немедленно были бы поглощены гетеротрофными организмами. В наше время живые тела возникают только биологическим путем, т. е. в процессе размножения подобных себе существ.

1. Охарактеризуйте основные этапы зарождения жизни на Земле по представлениям академика А. И. Опарин. 2. Какое значение для развития жизни на Земле имело возникновение фотосинтеза?