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

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.