Г) Абиогенез

Жизнь, по мысли Эмпедокла, на нашей планете началась еще до того, как народилось Солнце. В ту пору землю орошали обильные дожди. Она походила на тинообразную массу и согревалась внутренним огнем, который время от времени прорывался из недр земли наружу и поднимал вверх комъя тины, принимавшие различную форму. Так создались сперва растения - предвестники предтечи подлинных живых существ. А позже стали появляться и животные формы. Но какие все это были причудливые существа - вернее даже не существа, а отдельные обрывки, органы и члены их.

"Головы выходили без шеи, двигались руки без плеч, очи блуждали без лбов. Влекомый силой любви, они сходились друг с другом и соединялись, “что с чем попало”: Они скрепились между собою, как кто с кем повстречался, И к множеству существующих без перерыва присоединялись еще другие.. Появилось много существ с двойными лицами и двойной грудью. Рожденный быком с головой человека - и наоборот,...”. Так видел происхождение жизни Эмпедокл.

Тем не менее идея самозарождения жизни была не чужда и более просвященному веку. Гипотезы абиогенеза, или «самозорождения жизни» - появились еще в XV-XVI вв. В XVIII веке идеи самозарождения развивали и пропагандировали Г.Лейбниц (Германия), Ж.Бюффон (Франция), Дж.Нидхэм (Ирландия), в XIX веке - Ч.Дарвин (Англия) и Ж.Б. Ламарк.

Главнейшим аргументом в гипотезах этой группы признавались факты появления живых организмов на закрытых питательных субстратах. При этом, допускалось существование «жизненной силы», возбуждающей жизнь в мертвом субстрате в любое время. Казалось, эта идея была развенчана Луи Пастером в его опытах по стерилизации культур - оттуда и возник принцип Пастера-Реди: «все живое от живого».

Новую жизнь в теории абиогенеза вдохнул наш соотечественник А.И.Опарин. В опытах с концентрированными растворами органических веществ были получены устойчивые сгустки-коацерватные капли, способные поглощать, преобразовывать и выделять некоторые вещества. Коацерваты рассматриваются как аналоги предбиологических систем, давших начало живым телам. Возможность абиогенного синтеза органических веществ была показана в лабораторных экспериментах С.Миллера (США) в 1955г. Получив вакуум на обычном химическом оборудовании, ученый осуществил в нем циркуляцию смеси водяного пара, аммиака, метана, и водорода и подверг ее действию энергетических разрядов в 60 000 вольт. Через неделю он проанализировал конденсат и пришел к заключению, что так, случайным образом, были получены синтетические аминокислоты первичных протеинов. В 1961г. Х.Стругхолд подтвердил эти данные предбиологической медицины, он показал, что более трех миллиардов лет назад некоторые пояса радиации космической пустоты при соприкосновении с земной атмосферой вблизи полюсов создали короткое замыкание, длившееся веками. Такая фантастическая сверх-гроза могла превратить поверхность Земли в "питательный бульон", в котором, скорее всего, и зародилась жизнь. Правда, позднее были внесены поправки - в первичной атмосфере Земли не было паров аммиака и метана. Еще один минус, в начале века, в начале работы А.И.Опарина, полагали, что наследственная информация содержится в белках, а к середине века выяснилось, что в молекулах ДНК. Встал вопрос, как появились нуклеиновые кислоты? Считается, что Д.Холдейн дал на него ответ, был прозведен синтез нуклеотидов in vitro*, поэтому и теория абиогенеза имеет двух современных отцов и считается теорией Опарина-Холдейна.

В то же время, немецкий биохимик Шрамм подсчитал, что вероятность самосборки даже молекул РНК (они значительно меньше ДНК) в результате случайного взаимодействия, практически равна нулю. В его расчетах, если всю Вселенную представить в виде супа из нуклеотидов, а это 1:10⁸⁰ протонов, то понадобилось бы 10⁹ лет, чтобы могла собраться одна цепочка РНК. Фрэд Хойл о возникновении живого в результате случайного взаимодействия молекул писал так: эта мысль столь же нелепа, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке американского самолета Боинга.

Ответ в настоящее время видится в создании и поддержании сложных систем. На заре развития Земли, параллельно возникают как геологический, так и биотический круговороты. Более сложные, более устойчивые соединения сохраняются, менее устойчивые, простые - распадаются. Возникает взаимодействие процессов синтеза и распада.

Синергетическая модель процессов добиологической эволюции рассматривает появление двух классов соединений. По Эйгену - на Земле произошло независимый синтез двух классов соединений: белков и нуклеиновых кислот. Белки - в силу слабых энергетических связей в их молекулах и достаточно большого «аминокислотного алфавита» способны к чрезвычайно сложным и разнообразным комбинациям - кирипичики жизни. Нуклеиновые кислоты, менее вариабельные относительно химической структуры, но зато способные к самовоспроизведению и продолжительной фиксации возникших изменений. При взаимодействии этих структур образовалась новая система, возник тот круговой процесс жизнедеятельности, который происходит до сих пор и служит основой для естественного отбора.

Сам процесс добиологической эволюции, в том числе и возникновение системы трансляции *, заведомо стохастичен, т.е. в этом процессе случай должен сыграть существенную роль. В то же время, налицо ряд «почти детерминированных» свойств генетического кода: универсальность, почти полная вырожденность, связность, симметричность, регулярность, которые следует объяснить с эволюционных позиций. Всегда существует соблазн обусловить детерминированные свойства детерминированными же факторами. Однако, как отметил Эйген, даже очень маловероятная, но реализованная и усиленная флуктуация может привести к детерминированным и необратимым последствиям. Поэтому детерминированное свойство может иметь смысл единственной (а потому всеобщей) реализации стохастического процесса, когда имеется ограниченная возможность перебора вариантов, которые маловероятны, но, раз возникнув, продолжают длительно и устойчиво существовать.

В рамках гипотезы абиогенеза существует дискуссия по вопросу о месте появления живого вещества. Обсуждаются, причем весьма аргументировано, такие варианты:

1. - жизнь зародилась в океане в «первичном бульоне»,

2. - жизнь зародилась в океане, на подводных вулканах,

3. - жизнь зародилась на прибрежных глинах,

4. - жизнь зародилась в наземных условиях, среди частиц грунта.

Наиболее интересной, на наш взгляд, является точка зрения, что жизнь началась с метаболизма, с обмена веществ на поверхностях, что увеличивало саму возможность встречи веществ и их удержания вместе. Увеличение числа звеньев в основных метаболических путях и их интеграция в конечном счете снижали степень рассеяния энергии (производства энтропии) в предбиологических системах, что требовало, в свою очередь, более сложной координации связей в системе и привело к возникновению живой клетки.

Несмотря на то, что, абиогенный подход стал хрестоматийным, а идеи космического происхождения жизни, как и ее вечности, не находит отражения в учебниках, существует целый ряд положений, не позволяющих принять гипотезу абиогенеза как окончательную.

Во-первых, даже исходя из системных отношений, в предбиологических системах, время для "конструирования" жизни ничтожно. Возраст Земли - 4,5 млрд. лет, время появления прокариот 3,5-3,8 млрд. лет. И, возможно, этот срок не окончательный, ведь для идентификации геологических пород, связанных с жизнью сама жизнь должна была набрать ощутимые размеры.

Во-вторых, является установленным факт, что атмосфера предбиологического периода не содержала метана и аммиака, нет пород, которые свидетельствовали бы об этом. А именно эти вещества являлись основными в опытах синтеза аминокислот " in vitro", Стэнли Миллера.

В-третьих, до настоящего времени между самыми сложными моделями пробионтов и наиболее просто устороенными прокариотическими клетками существует огромный разрыв.

18) Любая самоорганизующаяся система должна обладать рядом особенностей:

1) открытостью, то есть их существование немыслимо без постоянного взаимодействия с окружающей средой;

2) неравновесностью, то есть энтропия в данной системе существенно меньше энтропии окружающей среды;

3) нелинейностью, то есть непропорциональностью изменения различных свойств системы, ограниченностью пределов изменения этих свойств, что приводит к разного рода фазовым переходам.

В процессе самоорганизации происходит самопроизвольный поиск устойчивых структур. Под устойчивостью системы понимают ее способность сохранять свою структуру при наличии внешних воздействий на нее; при снятии воздействия такая система должна вернуться в исходное состояние. Для устойчивых систем характерно подобие части и целого. Только тогда система сможет потреблять энергию (упорядочивающий фактор) из окружающей среды, когда она подчинена принципу соответствия (резонанса) с окружающей средой. Однако подобие не должно быть абсолютным. «Свобода выбора», непредсказуемость в поведении систем дает перспективы для дальнейшего развития (поиска новых форм организации). Излишек стабильности, предсказуемости также грозит гибелью, как и отсутствие системного «законопослушания».

Долгое время было непонятно, каким образом в живых организмах «обходится» запрет на рост энтропии. Сейчас мы знаем, что в основе самоорганизации лежит принцип Онзагера: одновременно протекающие процессы могут влиять друг на друга так, что хотя в каждом из процессов в отдельности энтропия не может уменьшаться, но, взятые вместе, они могут компенсировать уменьшение энтропии в одном из процессов за счет еще большего увеличения в других. В итоге по всем процессам энтропия растет.

Следствия из принципа Онзагера:

1) самоорганизующая система должна быть открытой по отношению к окружающей среде;

2) она может существовать, уменьшая внутреннюю энтропию, только за счет увеличения энтропии (разрушения) внешней среды.

Поэтому любая самоорганизующаяся система может существовать только в потоке энергии, при этом энтропия потока энергии на входе в систему меньше, чем энтропия выходного потока (система потребляет более концентрированную энергию, а выдает более рассеянную). В энергетический поток система сбрасывает свою внутреннюю энтропию (неупорядоченность), из этого потока она берет необходимый ей порядок, что позволяет ей существовать длительное время без саморазрушения. Для этого, например, мы потребляем пищу, разрушая ее внутри себя, высвобождая таким образом накопленную в ней информацию (порядок, мерой которого является свободная энергия), и за счет этого упорядочивая свою структуру. Продукты разрушения, несущие в себе хаос, мы выбрасываем в окружающую среду.

19) В гипотезе абиогенеза теория самоорганизации разрешает вопрос о происхождении всего живого.

Уже на ранних стадиях своего развития человечество начало задаваться одним из важнейших философских вопросов: вопросом о происхождении всего живого на земле. Наши древние предки начали с того, что находили решение этого и подобных ему вопросов в такой мировоззренческой форме, как религия. Их примитивные представления о происхождении жизни давали ответы практически на все возникающие вопросы. Однако с появлением зачатков научного и эмпирического знания взгляды на решение этих вопросов стали меняться. Сейчас ни у кого не вызывает сомнения тот факт,что все живые существа на Земле возникают путём рождения от себе подобных. Но прежде чем прийти к признанию этой,казалось бы,неоспоримой истины,человечество проделало долгий и трудный путь ошибок, заблуждений и величайших научных открытий.

Синергетика (от греч. син — «совместное» и эргос — «действие») — междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем (состоящих из подсистем). «...наука, занимающаяся изучением процессов самоорганизации и возникновения, поддержания, устойчивости и распада структур самой различной природы...»^[1].

Синергетика изначально представлялась как междисциплинарный подход, так как принципы, управляющие процессами самоорганизации, одни и те же безотносительно природы систем.

Основное понятие синергетики — определение структуры как состояния, возникающего в результате поведения многоэлементной или многофакторной среды, не демонстрирующей стремления к усреднению термодинамического типа.

В отдельных случаях образование структур имеет волновой характер и иногда называется автоволновыми процессами (по аналогии с автоколебаниями).

Главная идея синергетики — это идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации является образование петли положительной обратной связи системы и среды. При этом система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции ее разрушения средой. Например, в химии такое явление называют автокатализом. В неорганической химии автокаталитические реакции довольно редки, но, как показали исследования последних десятилетий в области молекулярной биологии, петли положительной обратной связи (вместе с другими связями — взаимный катализ, отрицательная обратная связь и др.) составляют саму основу жизни (см. 13.2.2).

Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. Система самоорганизуется не гладко и просто, не неизбежно. Самоорганизация переживает и переломные моменты — точки бифуркации. Вблизи точек бифуркации в системах наблюдаются значительные флуктуации, роль случайных факторов резко возрастает.

В переломный момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные структуры — лазерные пучки, неустойчивости плазмы, флаттер, химические волны, структуры в жидкостях и др.). В точке бифуркации система как бы “колеблется” перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) может послужить началом эволюции (организации) системы в некотором определенном (и часто неожиданном или просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других направлениях.

Как выясняется, переход от Хаоса к Порядку вполне поддается математическому моделированию. И более того, в природе существует не так уж много универсальных моделей такого перехода. Качественные переходы в самых различных сферах действительности (в природе и обществе — его истории, экономике, демографических процессах, духовной культуре и др.) подчиняются подчас одному и тому же математическому сценарию'.

Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы — это история образования все более и более сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях ее организации — от низших и простейших к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура).

20) Аттрактор - близок к понятию цель. Относительно устойчивое состояние системы, которое как бы притягивает все множество траекторий движения системы. Если система попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к этому относительно устойчивому состоянию.

В качестве аттрактора в гипотезе абиогенеза можно определить самозарождение, идеей которого является, то что всё на Земле зародилось само по себе, отдельно друг от друга.

Самозарождение - механизм самопроизвольного возникновения, относительно устойчивого существования и саморазрушения упорядоченных структур. То есть пространственно-временные структуры не накладываются, а возникают изнутри системы при переходе ее на новый уровень. При наличии нескольких вариантов путей развития системы, в соответствии с решением нелинейных дифференциальных уравнений состояния, у системы есть приоритетные пути развития, зависящие от свойств надсистем, так называемые аттракторы.

Синергетика дает новый образ мира. Этот мир самоорганизован. Он открыт, т.е. является не ставшим, а становящимся, не просто существующим, а непрерывно возникающим миром. Он эволюционирует по нелинейным законам. Последнее означает, что этот мир полон неожиданных поворотов, связанных с выбором путей дальнейшего развития.

Хаос, беспорядок, случайности необходимы для рождения нового. Фридрих Ницше выразил эту мысль, по-своему преломив ее через человеческую душу: “ Нужно носит в себе еще хаос, чтобы быть в состоянии родить танцующую звезду ”. “Переоткрытие” хаоса в современном точном естествознании - это открытие временного горизонта принципиальной непредсказуемости многих будущих событий, которые, если произойдут, то просто напросто будут иметь место в качестве уникальных и неповторимых, но не закономерных, как сказал бы приверженец декартово-ньютоновой парадигмы научного познания, верой и правдой служившей ему фактически вплоть до самого недавнего времени.

Однако именно потому, что будущее скрыто от нас, а потому не может быть ни светлым, ни черным, человечество, собственно говоря, существует, становится. Открытие динамического хаоса наполняет антропный принцип новым синергетическим, постнеклассическим содержанием, придает точному естествознанию новое качество открытости знанию гуманитарному.

21) В 1973 году известный английский физик Ф. Крик и американский биохимик Л. Оргел выдвинули предположение, что происхождение жизни на Земле - следствие целенаправленной деятельности внеземной цивилизации, существовавшей задолго до образования нашей планеты и с помощью космического аппарата пославшей на Землю "семена" жизни (Земля и Вселенная, 1979, № 1, с. 41- 45.- Ред.). По их мнению, один из аргументов в пользу космического происхождения земной жизни - наличие во всех ее формах редких для Земли металлов (в частности, молибдена). Как справедливо указал Л. М. Мухин (Земля и Вселенная, 1979, № 1, с. 41-45.- Ред.), этот аргумент ошибочен, ибо по концентрациям в земной коре или морской воде молибден не занимает никакого привилегированного положения среди других химических элементов, В качестве другого аргумента использована универсальность генетического кода для всего живого на Земле. Поскольку теории, объясняющей возникновение генетического кода, еще не существует, авторы постулировали происхождение всех форм жизни от одного-единственного микроорганизма, привезенного на Землю из космоса.

Американские и итальянские учёные, занимающиеся исследованиями метеоритов, нашли очередное подтверждение гипотезы о внеземном происхождении всего живого на нашей планете.

Джордж Купер (George Cooper) и его коллеги из калифорнийского исследовательского центра NASA (NASA's Ames Research Center) обнаружили глюкозу в составе Мерчисонского метеорита (Murchison meteorite), который упал неподалёку от австралийского городка Мерчисон в 1969 году, и метеорита озера Мюррей (Lake Murray meteorite), который представляет собой глыбу космической руды, упавшую на Землю более ста миллионов лет назад.

Оба метеорита насыщены углеродом и, как считают учёные, являются фрагментами астероидов, "бороздящих просторы" Солнечной системы.

Известно, что сахар (или глюкоза) является одним из источников жизни, так как является важнейшей составляющей ДНК, и играет важную роль находится в мембранах живых клеток.

Проще говоря, без глюкозы жизнь на Земле была бы невозможна. Ранее учёным удалось обнаружить в метеоритах следы аминокислот — молекулярной основы для образования белков.

Обнаружив в составе метеоритов глюкозу, учёные первым делом решили проверить, мог ли сахар образоваться в метеоритах уже на Земле, то есть быть следствием микробного "загрязнения".

Выяснилось, что земное происхождение соединений, обнаруженных группой Купера, маловероятно, поскольку они не соответствуют в точности ни одному из веществ, найденных в живых организмах. Кроме того, изобилие глюкозы свидетельствует о том, что эти соединения — следствие скорее химических, нежели биохимических процессов.

Учёные полагают, что сахар мог образоваться в метеоритах в результате химических реакций, произошедших во время их космических "путешествий".

Установлено, что Земля примерно 4,5 миллиарда лет назад подвергалась интенсивной "бомбардировке" довольно крупными астероидами и даже целыми протопланетами. В это время из первичного газопылевого облака, окружавшего только что родившееся Солнце, формировались все планеты Солнечной системы.

Первые живые организмы на Земле появились примерно 3,8 миллиарда лет назад, то есть через 200 миллионов лет после космической "бомбардировки".

Идея космического посева (панспермии) появилась ещё в V веке до н.э. греческим философом Анаксагором. По его учению, жизнь возникла из семени, которое существует "всегда и везде".

В 1884 году шведский физикохимик Сванте Авенариус заявил, что жизнь на Земле произошла от спор растений или микроорганизмов, которые перенесены с других планет под действием светового давления или, возможно, метеоритами.

Но уже в то время ряд учёных доказали невозможность переноса в жизнеспособном состоянии (активном или поддающемся активизации) зародышей жизни — на них губительно действуют космические лучи, особенно коротковолновое ультрафиолетовое излучение, которое пронизывает Вселенную.

В середине ХХ века известный английский учёный, лауреат Нобелевской премии Фрэнсис Крик вместе с американским исследователем Лесли Оргелом опубликовал статью, озаглавленную "Управляемая панспермия". По мнению авторов, "некая примитивная форма жизни была сознательно занесена на Землю другой цивилизацией".

Крик и Оргел считают, что если земляне способны занести жизнь на другие планеты, то почему бы не допустить, что жизнь на Земле — это дело рук инопланетян?

Cвою теорию космического происхождения жизни на Земле в 80-е годы лет назад выдвинул и астроном Фред Хойле. Он считает, что простейшие микроорганизмы были занесены на нашу планету астероидами, отколовшимися от планет, на которых существовала жизнь.

Даже если гипотеза о внеземном характере происхождения жизни на Земле подтвердится, учёным неизбежно придётся задаться другим, более глобальным вопросом — как и где появилась жизнь во Вселенной? Кто наши "родители" и кто "родители наших родителей"?

Поиски ответов на эти вопросы либо приведут в тупик, либо уведут по пути, такому же бесконечному, как сама Вселенная.