Естественнонаучные модели происхождения жизни

     Модель  случайного однократного происхождения жизни

     В начале XX в. американский генетик Г. Меллер продолжил решение вопроса о происхождении жизни на земле. Он выдвинул гипотезу о случайном возникновении первичной молекулы живого вещества. Суть гипотезы заключается в предположении, что живая молекула, способная размножаться, могла возникнуть случайно в результате взаимодействия простейших веществ. Он считает, что элементарная единица наследственности - ген - является основой жизни. И жизнь в форме гена, по его мнению, возникла путем случайного сочетания атомных группировок и молекул, существовавших в водах первичного океана. Гипотеза случайного однократного появления жизни получила особенно широкое распространение среди генетиков после открытия роли ДНК в явлениях наследственности.

     Однако, несмотря на широкое распространение  данной теории, она также была опровергнута по причине отсутствия доказательств. Также следует отметить, что у данной естественнонаучной модели происхождения жизни на Земле в настоящее время практически нет сторонников.

     Модель  биохимической эволюции. Теория А.И. Опарина

     В начале XX века ученые были убеждены в том, что между органическими и неорганическими соединениями не существует никакой взаимосвязи. Они полагали, что органические соединения могут возникать только в живом организме, биогенно. Именно поэтому их назвали органическими соединениями в противоположность веществам неживой природы — минералам, которые получили название неорганических соединений. Считалось, что природа неорганических веществ совершенно иная, а поэтому возникновение даже простейших организмов из неорганических веществ принципиально невозможно. Однако, после того как из обычных химических элементов было синтезировано первое органическое соединение, представление о двух разных сущностях органических и неорганических веществ оказалось несостоятельным. В результате этого открытия возникли органическая химия и биохимия, изучающие химические процессы в живых организмах.

     Кроме того, данное научное открытие позволило  создать концепцию биохимической  эволюции, согласно которой жизнь  на Земле возникла в результате физических и химических процессов. Исходную основу этой гипотезы составили данные о сходстве веществ, входящих в состав растений и животных, а также о возможности в лабораторных условиях синтезировать органические вещества, составляющие белок.

     На  основе этих открытий А.И. Опарин написал книгу о своей модели происхождения жизни. Данная книга под названием «Происхождение жизни» была опубликована в 1924 году. В ней была изложена принципиально новая гипотеза происхождения жизни. Опарин выступил с утверждением, что «принцип Реди, вводящий монополию биотического синтеза органических веществ, справедлив лишь для современной эпохи существования нашей планеты. В начале же своего существования, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотические синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция»⁵.

     Возникновение жизни Опарин рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень — биохимическую эволюцию. Суть гипотезы сводилась к следующему: зарождение жизни на Земле — длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой. Произошло же это путем химической эволюции, результатом которой стало образование органических веществ из неорганических под влиянием сильнодействующих физико-химических факторов.

     Рассматривая  проблему возникновения жизни путем  биохимической эволюции, Опарин выделяет три этапа перехода от неживой  материи к живой:

1. этап синтеза исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы ранней Земли;
2. этап формирования в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров, липидов, углеводородов;
3. этап самоорганизации сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процессов обмена веществом и воспроизводства органических структур, завершающееся образованием простейшей клетки.

     На  первом этапе, около 4 млрд. лет назад, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотический синтез углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция. На данном этапе эволюции Земли были характерны многочисленные вулканические извержения с выбросом большого количества сильно расклеенной лавы. В процессе остывания планеты атмосферные водяные пары конденсировались и превращались в ливни, вследствие которых появлялись огромные водяные пространства. Поскольку поверхность Земли оставалась еще горячей, вода испарялась, охлаждаясь позже в верхних слоях атмосферы. После охлаждения она снова превращалась в ливень. Эти процессы продолжались многие миллионы лет.

     Таким образом, в водах первичного океана были растворены различные соли. Также в первичный попадали и органические соединения: сахара, аминокислоты, азотистые основания, органические кислоты и т.д., постоянно образующиеся в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения, высокой температуры и активной вулканической деятельности.

     Опарин  предполагал, что первичный океан  содержал в растворенном виде различные  органические и неорганические молекулы, попавшие в него из атмосферы и поверхностных слоев Земли. Концентрация органических соединений постоянно увеличивалась, что привело к превращению океана в «бульон» из белковоподобных веществ - пептидов.

     На  втором этапе, по мере смягчения условий на Земле, под воздействием на химические смеси первичного океана электрических разрядов, тепловой энергии и ультрафиолетовых лучей стало возможным образование сложных органических соединений - биополимеров и нуклеотидов. Они, в свою очередь, объединялись и усложнялись, превращаясь в протобионты (доклеточные предки живых организмов). Итогом эволюции сложных органических веществ стало появление коацерватов.

     Коацерваты  представляют собой комплексы коллоидных частиц, раствор которых разделяется  на два слоя: слой, богатый коллоидными частицами, и жидкость, почти свободную от них. Коацерваты обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в водах первичного океана. В результате внутреннее строение коацерватов менялось, что вело или к их распаду, или к накоплению веществ, т.е. к росту и изменению химического состава, повышающего их устойчивость в постоянно меняющихся условиях. Концепция биохимической эволюции рассматривает коацерваты как предбиологические системы, представляющие собой группы молекул, окруженные водной оболочкой. Коацерваты были способны поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечило возможность первичного обмена веществ со средой.

     На  третьем этапе по предположению Опарина начал действовать естественный отбор. Среди коацерватных капель происходил отбор коацерватов, наиболее устойчивых к данным условиям среды. Процесс отбора шел в течение многих миллионов лет, после этого сохранились лишь некоторые из коацерватов. Сохранившиеся коацерватные капли обладали способностью к первичному метаболизму. А обмен веществ - первейшее свойство жизни. Когда капля достигала больших размеров, она распадалась на несколько мелких. То есть у коацерватов появились свойства самовоспроизведения. Значит, на этой стадии коацерваты превратились в простейшие живые организмы.

     Дальнейшая  эволюция этих предбиологических структур была возможна только при усложнении обменных и энергетических процессов  внутри коацервата. Более прочную  изоляцию внутренней среды от внешних  воздействий могла обеспечить только мембрана. Вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, отделившие коацерват от окружающей его водной среды. В процессе эволюции липиды трансформировались в наружную мембрану, что значительно повысило жизнеспособность и устойчивость организмов. Появление мембраны предопределило направление дальнейшей химической эволюции по пути все более совершенной саморегуляции вплоть до возникновения первых клеток.

     Модель  происхождения жизни, представленная Опариным получила весьма широкое распространение и большую популярность. Но эксперименты начали производиться только лишь в 1950 – 1960-е годы. «Так, в 1953 году С. Миллер в ряде экспериментов смоделировал условия, существовавшие на раннем этапе эволюции Земли. В сделанной им установке были синтезированы многие аминокислоты, аденин, простые сахара и другие вещества, имеющие важное биологическое значение. После этого Л. Орджел в сходном эксперименте синтезировал простые нуклеиновые кислоты»⁶.

     Но, несмотря на то, что данная теория имеет экспериментальную обоснованность и теоретическую убедительность, что является плюсом, у нее также можно выделить и минусы. Даже можно сказать, не минусы и плюсы, а ее сильные и слабые стороны.

     Сильной стороной теории является достаточно точное эспе-риментальное обоснование химической эволюции, согласно которой зарождение жизни является закономерным результатом добиологической эволюции материи. Убедительным аргументом в пользу этой концепции является также возможность экспериментальной проверки ее основных положений. Это касается не только лабораторного воспроизведения предполагаемых физико-химических условий первичной Земли, но и коацерватов, имитирующих доклеточных предков и их функциональные особенности.

     Слабой  стороной концепции является невозможность объяснения самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам, ведь ни в одном из поставленных экспериментов получить жизнь так и не удалось. Кроме того, Опарин допускал возможность самовоспроизведения коацерватов в отсутствие молекулярных систем с функциями генетического кода. Иными словами, без реконструкции эволюции механизма наследственности объяснить процесс скачка от неживого к живому не удается. Поэтому сегодня считается, что решить эту сложнейшую проблему биологии без привлечения концепции открытых каталитических систем, молекулярной биологии, а также кибернетики не получится.

     Таким образом, можно сделать вывод, что  все из теорий естественнонаучного  происхождения жизни имеют те или иные доказательства, а также  те или иные опровержения.

     Современная теория происхождения жизни основана на идее о том, что биологические  молекулы могли возникнуть в далеком  геологическом прошлом неорганическим путем. Для возникновения жизни  нужны определенные температуры, влажность, давление, уровень радиации, определенная направленность развития Вселенной и время.

     Земля подходила для зарождения жизни. Ее возраст 4,6 млрд. лет. Температура поверхности в начальный период была 4000-8000°С и по мере остывания Земли углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовали земную кору. Первичная атмосфера Земли на протяжении 2 млрд лет состояла, вероятно, главным образом из водяных паров, N2, C02, с небольшой примесью других газов (NH3, CH4, H2S) при почти полном отсутствии 02 (практически весь кислород, содержащийся в атмосфере в настоящее время, является продуктом фотосинтеза). Отсутствие в первоначальной атмосфере кислорода было необходимым условием возникновения жизни, так как органические вещества легче создаются в восстановительной среде. В отсутствие кислорода, который мог бы их разрушить, а также живых организмов, которые использовали бы их в качестве пищи, абиогенно образовавшиеся органические вещества накапливались в Мировом океане, возникшем по мере охлаждения поверхности Земли вследствие конденсации водяных паров и выпадения осадков.

     В 1953 году Г. Меллер экспериментально установил, что при подводе энергии к  газовой смеси, содержащей углерод, водород, кислород и азот, в восстановительной  среде образуются все важные детали для построения биовеществ: аминокислот, гидроокисей, сахаров, пуриновых и пиримидиновых оснований. С инициацией химических процессов на планете Земля началась фаза химической эволюции около 4-4,5 млрд. лет назад. Основным результатом первой стадии химической эволюции стала интеграция простых атомов Н, С, N, Р,... в относительно сложные органические молекулы. Результатом химической эволюции стала интеграция атомов химических элементов во многие сложные органические молекулы, а молекул — во многие еще более сложные цепные молекулы. Важную роль в этих превращениях играли следующие химические элементарные процессы: гомогенный и гетерогенный катализ, автокатализ, бистабильность и колебания.

     Следующим шагом было образование более  крупных полимеров из малых органических мономеров, опять же без участия живых организмов. Видимо, на первичной Земле образование полимеров со случайной последовательностью аминокислот или нуклеотидов могло происходить при испарении воды в водоемах, оставшихся после отлива. Если полимер образовался, он способен влиять на образование других полимеров.