2 Гипотеза стационарного состояния

Лекция 6 КСЕ
Проблема происхождения жизни на Земле
План
1. Что такое жизнь? Отличие живого от неживого.
2. Гипотеза стационарного состояния.
3. Кнеационизм.
4. Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни.
5. Гипотеза панспермии.
6. Гипотеза биохимической эволюции.
1.
Прежде чем говорить о проблеме происхождения жизни, необходимо
определиться с понятием «жизнь». Что такое жизнь? С точки зрения
биоэнергетики, жизнь – это получение энергии с помощью фотосинтеза. С
точки зрения теории информации, жизнь – это специфическая структура,
способная к саморазмножению с затратой энергии. Кто-то скажет движения
это жизнь. Но однозначного, полного определения жизни пока нет.
Единственный способ описать жизнь – это перечислить основные свойства
живых организмов.
Для понимания закономерностей эволюции органического мира на
Земле необходимо иметь общие представления об эволюции и основных
свойствах живого. Для этого необходимо охарактеризовать живые существа с
точки зрения их некоторых особенностей и выделить основные уровни
организации жизни.
Когда-то считалось, что живое можно отличить от неживого по таким
свойствам, как обмен веществ, подвижность, раздражимость, рост,
размножение, приспособляемость. Но анализ показал, что порознь все эти
свойства встречаются и среди неживой природы, и поэтому не могут
рассматриваться как специфические свойства живого. В одной из последних
и наиболее удачных попыток живое характеризуется следующими
особенностями, сформулированными Б. М. Медниковым в виде аксиом
теоретической биологии:
Все живые организмы оказываются единством фенотипа и программы
для его построения (генотипа), передающейся по наследству из поколения в
поколение (аксиома А. Вейсмана).
Генетическая программа образуется матричным путем. В качестве
матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген
предшествующего поколения (аксиома Н. К. Кольцова).
В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы
в результате различных причин изменяются случайно и не направленно, и
лишь случайно такие изменения могут оказаться удачными в данной среде
(1-ая аксиома Ч. Дарвина).
Случайные изменения генетических программ при становлении
фенотипа многократно усиливаются (аксиома Н. В. Тимофеева-Ресовского).
Многократно
усиленные
изменения
генетических
программ
подвергаются отбору условиями внешней среды (2-ая аксиома Ч. Дарвина).
«Дискретность и целостность – два фундаментальных свойства
организации жизни на Земле. Живые объекты в природе относительно
обособлены друг от друга (особи, популяции, виды). Любая особь
многоклеточного животного состоит из клеток, а любая клетка и
одноклеточные существа – из определенных органелл. Органеллы состоят из
дискретных высокомолекулярных органических веществ, которые в свою
очередь состоят из дискретных атомов и элементарных частиц. В то же время
сложная организация немыслима без взаимодействия ее частей и структур –
без целостности.»
Целостность биологических систем качественно отличается от
целостности неживого, и прежде всего тем, что целостность живого
поддерживается в процессе развития. Живые системы – открытые системы,
они постоянно обмениваются веществами и энергией со средой. Для них
характерна отрицательная энтропия (увеличение упорядоченности),
увеличивающаяся, видимо, в процессе органической эволюции. Вероятно,
что в живом проявляется способность к самоорганизации материи.
«Среди живых систем нет двух одинаковых особей, популяция и видов.
Эта уникальность проявления дискретности и целостности живого основана
на замечательном явлении ковариантной редупликации.
Ковариантная редупликация (самовоспроизведение с изменениями),
осуществляемая на основе матричного принципа (сумма трех первых
аксиом), - это, видимо, единственное специфическое для жизни (в известной
нам форме ее существования на Земле) свойство. В основе его лежит
уникальная способность к самовоспроизведению основных управляющих
систем (ДНК, хромосом и генов).»
«Жизнь – одна из форм существования материи, закономерно
возникающая при определенных условиях в процессе ее развития».
Итак, что такое живое и чем оно отличается от неживого. Наиболее
точное определение жизни дал около 100 лет назад Ф. Энгельс: "Жизнь есть
способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по
своему существу в постоянном самообновлении химических составных
частей этих тел". Наиболее точное определение жизни дал около 100 лет
назад Ф. Энгельс: "Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот
способ существования состоит по своему существу в постоянном
самообновлении химических составных частей этих тел". Термин "белок"
тогда ещё не был определён вполне точно и его относили обычно к
протоплазме в целом. Сознавая неполноту своего определения, Энгельс
писал: "Наша дефиниция жизни, разумеется, весьма недостаточна, поскольку
она далека от того, чтобы охватить все явления жизни, а, напротив,
ограничивается самыми общими и самыми простыми среди них... Чтобы
получить действительно исчерпывающее представление о жизни, нам
пришлось бы проследить все формы её проявления, от самой низшей до
наивысшей".
Кроме того, есть несколько фундаментальных отличий живого от
неживого в вещественном, структурном и функциональном планах. В
вещественном
плане
в
состав
живого
обязательно
входят
высокоупорядоченные макромолекулярные органические соединения,
называемые биополимерами, - белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В
структурном плане живое отличается от неживого клеточным строением. В
функциональном плане для живых тел характерно воспроизводство самих
себя. Устойчивость и воспроизведение есть и в неживых системах. Но в
живых телах имеет место процесс самовоспроизведения. Не что-то
воспроизводит их, а они сами. Это принципиально новый момент.
Также живые тела отличаются от неживых наличием обмена веществ,
способностью к росту и развитию, активной регуляцией своего состава и
функций, способностью к движению, раздражимостью, приспособленностью
к среде и т. д. Неотъемлемым свойством живого является деятельность,
активность. «Все живые существа должны или действовать, или погибнуть.
Мышь должна находиться в постоянном движении, птица летать, рыба
плавать и даже растение должно расти».
Жизнь возможна лишь при определённых физических и химических
условиях (температура, присутствие воды, ряда солей и т. д.). Однако
прекращение жизненных процессов, например, при высушивании семян или
глубоком замораживании мелких организмов, не ведёт к потере
жизнеспособности. Если сохраняется неповрежденной структура, она при
возвращении к нормальным условиям обеспечивает восстановление
жизненных процессов.
Однако строго научное разграничение живого и неживого встречает
определенные трудности. Так, например, вирусы вне клеток другого
организма не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть
наследственный аппарат, но отсутствуют основные необходимые для обмена
веществ ферменты, и поэтому они могут расти и размножаться, лишь
проникая в клетки организма-хозяина и используя его ферментные системы.
В зависимости от того, какой признак мы считаем важным, мы относим
вирусы к живым системам или нет.
Итак, суммируя все выше сказанное, дадим определение жизни:
«Жизнь – процесс существования биологических систем (например, клетка,
организм растения, животного), основу которых составляет сложные
органические вещества и способные самовоспроизводиться, поддерживать
свое существование в результате обмена энергией, веществом и
информацией со средой.»
Свойства живого: способность к движению, способность к росту и
развитию, обмен веществ, дыхание, питание, раздражимость, размножение,
клеточное строение.
По современным научным представлениям, жизнь — это процесс
существования сложных систем, состоящих из больших органических
молекул и неорганических веществ и способных самовоспроизводиться,
саморазвиваться и поддерживать свое существование в результате обмена
энергией и веществом с окружающей средой. Это одно из определений.
С глубокой древности и до нашего времени было высказано огромное
количество гипотез о происхождении жизни на Земле. Во второй половине
ХХ века было предложено 120 теорий и гипотез возникновения жизни, одни
были самостоятельными, другие представляли собой продолжение уже
существующих. Рассмотрим некоторые, часто обсуждаемые гипотезы и
теории.
2
Гипотеза стационарного состояния.
Согласно этой гипотезе Земля никогда не возникала, а существовала
вечно. Она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась,
то очень мало, виды животных и растений также существовали всегда. Эту
гипотезу называют иногда гипотезой этернизма (от лат. eternus — вечный).
Концепция вечной Вселенной, до сих пор характерна для восточных
религий, таких как индуизм и буддизм. С точки зрения современных
астрономических знаний эта гипотеза не рассматривается как научная.
Вывод: Земля никогда не возникала, а существовала вечно. Всегда была
способна поддерживать жизнь, виды животных и растений также
существовали всегда. Продолжим рассматривать гипотезы возникновения
жизни на Земле.
3
Креационизм – лат. слово creatio – сотворение.
Согласно этой религиозной концепции, имеющей древние корни, все
существующее во Вселенной, в том числе жизнь, было создано единой Силой
— Творцом, Богом в результате сверхъестественного творения в прошлом.
Организмы, населяющие сегодня Землю, происходят от сотворенных
основных типов живых существ. Сотворенные виды были с самого начала
превосходно организованы и наделены способностью к некоторой
изменчивости в определенных границах, в результате микроэволюции.
Традиционное христианское представление о сотворении мира,
изложенное в Книге Бытия, вызывало и продолжает вызывать споры. Однако
выявляемые в текстах противоречия не делают гипотезу творения менее
популярной. Религия, рассматривая вопрос о происхождении жизни, ищет
ответ главным образом на вопросы «с какой целью?», а не на вопрос «каким
образом?». Если наука в поисках истины широко использует наблюдение и
эксперимент, то богословие стремится к постижению истины через
сверхъестественное откровение и веру.
Процесс божественного сотворения мира представляется как имевший
место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения. В связи с
этим концепция творения не может быть ни доказана, ни опровергнута и
существует наряду с научными гипотезами происхождения жизни.
Фактически сегодня креационизм является гипотезой, которую широко
пропагандируют. Религиозные лидеры, настаивающие на принятии
креационизма в качестве научной гипотезы, но эта борьба не имеет ничего
общего с научной гипотезой.
Вывод:
Жизнь на земле создана Творцом, Богом единожды,
организмами, хорошо организованными и наделенными способностью к
изменчивости.
4
Гипотезы самозарождения
На протяжении тысячелетий люди верили в самопроизвольное
зарождение жизни, считая его обычным способом появления живых существ
из неживой материи. Полагали, что источником спонтанного зарождения
служат либо неорганические соединения, либо гниющие органические
остатки.
Эта гипотеза была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте.
Идея самозарождения высказывалась также философами Древней Греции,
она, по-видимому, так же стара, как и само человечество. На протяжении
истории эта гипотеза видоизменялась, но по-прежнему оставалась
ошибочной. Аристотель, которого часто провозглашают основателем
биологии, писал, что лягушки и насекомые заводятся в сырой почве. Платон
тоже говорил о самозарождении живых существ из земли в процессе
гниения. В Средние века многим «удавалось» наблюдать зарождение
разнообразных живых существ, таких как насекомые, черви, угри, мыши, в
разлагающихся или гниющих остатках организмов.
Существовали
такие
легенды.
«Послушайте
историю
про
Бернакельского гуся. Этот гусь вырастает на обломках сосны, носящихся по
морским пучинам. Вначале он имеет вид капельки смолы. Он прикрепляется
клювом к дереву и выделяет для безопасности твердую скорлупу, в которой
живет спокойно и беззаботно. Через некоторое время у гуся вырастают перья,
и тогда он сходит с куска коры в воду и начинает плавать. А в один
прекрасный день взмахивает крыльями и улетает. Еще есть на свете и такие
деревья, на которых растут плоды, имеющие форму дыни. Из них
появляются ягнята».
Эти «факты» считались убедительными, до тех пор, пока итальянский
врач Франческо Реди (1626–1697) не подверг сомнению теорию спонтанного
зарождения. В 1668 г. Реди проделал опыт. Он поместил мертвых змей в
разные сосуды, причем одни сосуды накрыл кисеей, а другие оставил
открытыми. Налетевшие мухи отложили яйца на мертвых змеях в открытых
сосудах, вскоре из яиц вывелись личинки. В накрытых сосудах личинок не
оказалось. Таким образом Реди доказал, что белые черви, появляющиеся в
мясе змей, — личинки флорентийской мухи, и что если мясо закрыть и
предотвратить доступ мух, то оно не «произведет» червей. Опровергнув
концепцию самозарождения, Реди высказал мысль о том, что жизнь может
возникнуть только из предшествующей жизни.
Подобных взглядов придерживался и голландский ученый Антони ван
Левенгук (1632–1723), который, используя микроскоп, открыл мельчайшие
организмы, невидимые невооруженным глазом. Это были бактерии и
простейшие. Левенгук высказал мысль, что эти крошечные организмы, или
«анималькулы», как он их называл, происходят от себе подобных.
Мнение Левенгука разделял итальянский ученый Ладзаро Спалланцани
(1729–1799), который решил доказать опытным путем, что микроорганизмы,
часто обнаруживаемые в мясном бульоне, самопроизвольно в нем не
зарождаются. Он помещал мясной бульон в сосуды, кипятил эту жидкость на
огне, после чего сосуды герметично запаивал. В итоге бульон в сосудах
оставался чистым и свободным от микроорганизмов. Своими опытами
Спалланцани доказал невозможность самопроизвольного зарождения
микроорганизмов.
Сокрушительный удар по этой гипотезе был нанесен в 19в. французским
микробиологом Луи Пастером (1822–1895). Он показал, что бактерии
распространяются по воздуху и что если в воздухе, попадающем в колбы с
простерилизованным бульоном, их нет, то и в самом бульоне они не
возникнут. Пастер пользовался для этого колбами с изогнутым S-образным
горлышком, которое служило для бактерий ловушкой, тогда как воздух
свободно проникал в колбу и выходил из нее. К концу 70-х гг. 19 в.
практически все ученые признали, что живые организмы происходят только
от других живых организмов.
Вывод: Живые организмы зарождаются самопроизвольно, источником
зарождения могут служить либо неорганические соединения, либо гниющие
органические остатки.
5
Теория панспермии.
В 1865 г. немецкий врач Г.Рихтер выдвинул гипотезу космозоев
(космических зачатков), в соответствии с которой жизнь является вечной и
зачатки, населяющие мировое пространство, могут переноситься с одной
планеты на другую. Сходную гипотезу в 1907 г. выдвинул известный
шведский естествоиспытатель С.Аррениус, предположив, что во Вселенной
вечно существуют зародыши жизни - гипотезу панспермии. Он описывал,
как с населенных другими существами планет уходят в мировое
пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов.
Они сохраняют свою жизнеспособность, летая в пространстве Вселенной за
счет светового давления. Попадая на планету с подходящими условиями для
жизни, они начинают новую жизнь на этой планете. Эту гипотезу
поддерживали многие, в том числе русские ученые С. П. Костычев, Л. С.
Берг и П. П. Лазарев.
Данная гипотеза не предполагает никакого механизма для объяснения
первичного возникновения жизни и переносит проблему в другое место
Вселенной. Либих считал, что «атмосферы небесных тел, а также
вращающихся космических туманностей можно считать как вековечные
хранилища оживленной формы, как вечные плантации органических
зародышей», откуда жизнь рассеивается в виде этих зародышей во
Вселенной. Подобным образом мыслили Кельвин, Гельмгольц.
Для обоснования панспермии обычно используют наскальные рисунки
с изображением предметов, похожих на ракеты или космонавтов, или
появления НЛО. Полеты космических аппаратов разрушили веру в
существование разумной жизни на планетах солнечной системы, которая
появилась после открытия Скипарелли каналов на марсе в 1877 г.
Ловелл насчитал на Марсе 700 каналов. Сеть каналов охватывала все
материки. В 1924 г. каналы были сфотографированы, и большинство ученых
увидели в них доказательство существования разумной жизни. Фотоснимки
500 каналов зафиксировали и сезонные изменения цвета, которые
подтвердили идеи советского астронома Г. А. Тихова о растительности на
Марсе, поскольку озера и каналы имели зеленый цвет. Ценная информация о
физических условиях на Марсе была получена советским космическим
аппаратом «Марс» и американскими посадочными станциями «Викинг-1» и
«Викинг-2». Так, полярные шапки, испытывающие сезонные изменения,
оказались состоящими из водного пара с примесью минеральной пыли и из
твердой двуокиси углерода (сухого льда). Но пока следов жизни на Марсе не
найдено.
Изучение поверхности с борта искусственных спутников позволило
предположить, что каналы и реки Марса могли возникнуть в результате
растапливания под поверхностного водяного льда в зонах повышенной
активности или внутреннего тепла планеты или при периодических
изменениях климата.
В конце 60-х годов вновь возрос интерес к гипотезам панспермии. При
изучении вещества метеоритов и комет были обнаружены многие
«предшественники живого» - органические соединения, синильная кислота,
вода, формальдегид, цианогены. Формальдегид, в частности, обнаружен в
60% случаев в 22 исследованных областях, его облака с концентрацией
примерно 1 тысяча молекул в кубическом сантиметре заполняют обширные
пространства. В 1975 г. предшественники аминокислот найдены в лунном
грунте и метеоритах.
6
Биохимическая теория
Первую научную теорию относительно происхождения живых организмов
на Земле создал советский биохимик Александр Иванович Опарин (1894–
1980). В 1924 г. он опубликовал работу «Происхождение жизни на Земле», в
которых изложил представления о том, как могла возникнуть жизнь на
Земле. Согласно этой теории, жизнь возникла в специфических условиях
древней Земли, и рассматривается Опариным как единый естественный
процесс, который состоял первоначальной химической эволюции,
перешедшей постепенно на качественно новый уровень - биохимическую
эволюцию.
По Опарину, процесс, приведший к возникновению жизни на Земле,
может быть разделен на три этапа: 1. Возникновение органических веществ.
2. Образование из более простых органических веществ биополимеров
(белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов и др.) и образованию
коацерватных капель - структур типа геля. 3. Образованию полинуклеотидов
– ДНК и РНК и включение их в коацерваты. Возникают примитивные
самовоспроизводящиеся организмы.
Огромное достоинство этой теории состоит в том, что большая ее часть
может быть проверена. Например, в 1953 году на установке биолога Стэнли
Миллера были проведены такие опыты.
Эксперимент Миллера был предельно прост. Аппарат состоял из двух
стеклянных колб, соединенных в замкнутую цепь. В одну из колб помещено
устройство, имитирующее грозовые эффекты - два электрода, между
которыми происходит разряд при напряжении около 60 тысяч вольт; в
другой колбе постоянно кипит вода. Затем аппарат заполняется атмосферой,
предположительно существовавшей на древней Земле: метаном, водородом и
аммиаком. Аппарат проработал неделю, после чего были исследованы
продукты реакции. В основном получилась вязкое месиво случайных
соединений; в растворе также было обнаружено некоторое количество
органических веществ, в том числе и простейшие аминокислоты – так
называемый «первичный бульон».
Первичные клетки предположительно возникли при помощи молекул
жиров (липидов). Так создавался комплекс упорядоченных молекул жиров,
которые за счет прибавления к ним новых молекул постепенно
отграничивали от всей окружающей среды некоторое пространство, которое
и стало первичной клеткой, или коацерватом — вязкая, гелеобразная капля.
Коацерваты оказались способными поглощать из внешней среды различные
органические вещества, что обеспечивало возможность первичного обмена
веществ со средой. Иногда эту гипотезу называют коацерватная. У этой
гипотезы есть сторонники и противники.
Теория биохимической эволюции имеет сторонников среди современных
ученых. Земля возникла около пяти миллиардов лет назад, первоначально
температура ее поверхности была очень высокой, по мере ее остывания
образовались твердая поверхность - земная кора.
Атмосфера, первоначально состоявшая из легких газов (водород, гелий),
затем эти газы заменялись более тяжелыми - водяным паром, углекислым
газом, аммиаком и метаном. Когда температура Земли опустилась ниже
100ºС, водяной пар начал конденсироваться, образуя мировой океан. В это
время, в соответствии с представлениями А.И. Опарина, в первичных земных
океанах, насыщенных разными простыми химическими соединениями, «в
первичном бульоне» под влиянием вулканического тепла, разрядов молний,
ультрафиолетовой радиации и других факторов среды начался синтез более
сложных органических соединений, а затем и биополимеров. Сложные
молекулы аминокислот случайно объединялись в пептиды, которые, в свою
очередь, создали первоначальные белки. Из этих белков синтезировались
первичные живые существа микроскопических размеров.
Гипотеза Опарина была лишь первым шагом в развитии биохимических
представлений о возникновении жизни. Он говорил о запуске процесса
химической эволюции, которая предшествует эволюции биологической.
В 1929 г. появилась статья английского биолога Д.Холдейна на ту же
тему. Можно встретить информацию, что это теория химической эволюции
называют еще теорией Опарина-Холдейна. Первенство в образовании жизни
А.И.Опарин отдавал белкам, а Дж.Холдейн – нуклеиновым кислотам.
Ученые утверждают, что на возникновение жизни в земном варианте
потребовалось времени – менее одного млрд. лет. Уже около 4 млрд. лет
назад существовали первые микроорганизмы, от которых произошло все
многообразие форм земной жизни.
Гипотеза Опарина-Холдейна завоевала много сторонников.
Жизнь возникла на земле абиогенным путем (из неживых элементов) и
этому есть экспериментальное подтверждение. В настоящее время живое
происходит только от живого (биогенное происхождение).
Но в этой теории есть и недостаток: не удалось решить проблему как
произошел качественный скачок от неживого к живому. Это задача будущих
научных исследований.
Вывод: Жизнь возникла на земле как результат длительной эволюции
органических соединений, т.е. абиогенным путем (из неживых элементов), в
настоящее время все живое происходит только от живого (биогенное
происхождение).