Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

ется единственному Богу — творцу мира. Так, в

иудео-христЛ

анской традиции Бог сотворил мир, в том числе растения,

жи

вотных и человека, всего за шесть дней из ничего по своему

жШ

ланию. Так, в 1650 г. архиепископ Ашер из Ирландии вычислив

что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н.э. Последний

аш

творения

—

создание человека было закончено 23 октября

часов утра. Ашер получил эти результаты, сложив возраст

всех

людей, упоминающихся в библейской генеалогии, от Адама

,Д

Христа. Правда, в это время на Ближнем Востоке уже

существЯ

вали

цивилизации

Древнего Египта и Шумера, но с

арифмепД

ческой точки зрения все было правильно.

Интересно был решен вопрос о продолжительности акта

тво-

рения мира. В Библии сказано, что Бог сотворил мир за шесте

дней. Некоторые христианские теологи верят, что это

были

обычные дни по 24 часа. Другие богословы относились к

бибя

лейским текстам как к аллегориям и считали, что каждый

дени

творения занимал тысячу лет. Но в любом случае все

рассуждвИ

ния

базируются лишь на вере в библейские откровения,

сомне-в

ваться

в которых нельзя, а научные истины в соответствии

принципом фальсификации всегда подвергаются сомнению.

Поэтому концепция

креационизма,

по существу, научной не 1

является, поскольку возникла в рамках религиозного

мировоз-и

зрения. Она утверждает, что жизнь такова, какова она есть,

по-Я

тому что такой ее сотворил Бог. Тем самым практически

снима-в

ется вопрос о научном решении проблемы происхождения

жиз-1

ни, так как все религии требует принимать это положение

наЯ

веру, без доказательств. Тем не менее, эта концепция до сих

порв

продолжает пользоваться довольно большой популярностью.

*«

ни

«с

Вплоть до середины XIX века

единственной

•

концепция

„

самозарождения

альтернативой

креационизму была концепциям

жизни из неживого многократного самозарождения жизни из

не-щ

вещества живого вещества. Эта точка зрения

возникла-•

в древности в связи с тем, что повседневные

•

наблюдения показывали, как в мусорных кучах, гниющих от- I

бросах постоянно появляются личинки, черви, мухи.

Поскольку

о существовании микроорганизмов в те времена еще не

былов

ничего известно, считалось, что все низшие организмы

появля-

ются путем самозарождения. То же самое говорилось о

голова-

•

стиках, которые, как считалось, самозарождались из ила.

Данную концепцию поддерживали такие крупные ученые и .1

выдающиеся мыслители, как Аристотель, Парацельс,

Гарвей,

Коперник, Галилей, Гете, Декарт, Шеллинг и др. Их авторитет I

446

во многом определил длительный срок существования идеи са-

мозарождения и ее широкое распространение. Достаточно ска-

)ать, что опыты Франца Реди, проведенные еще в XVII в., дока-

юли невозможность самозарождения червей из гниющего мяса

при отсутствии мух. Реди известен нам и сегодня, как автор

шаменитого

принципа, получившего его имя: «Все живое — от

живого». Поэтому Реди стал основоположником концепции био-

генезе,

утверждавшей, что жизнь возникает только из предшест-

вующей жизни. В XVIII веке итальянец Л.

Спатанцани

провел

опыты с мельчайшими существами, доказав, что в прокипячен-

ных органических настоях не могут самопроизвольно зарождать-

ся микроорганизмы, Но эти эксперименты не оказали серьезно-

го влияния на господствующую в науке концепцию спонтанного

самозарождения.

Лишь в 60-е годы XIX в. в развернувшейся между Ф.А. Пушс

и Л. Пастером дискуссии, потребовавшей экспериментальных

исследований, удалось строго научно обосновать несостоятель-

ность этой концепции. Опыты Пастера продемонстрировали,

что микроорганизмы появляются в органических растворах

силу того, что туда были ранее занесены их зародыши. Если же

сосуд с питательной средой оградить от занесения в него мик-

робов, проведя стерилизацию (пастеризацию), то никакого са-

мозарождения не произойдет. Опыты Пастера подтвердили

принцип Реди и показали научную несостоятельность

концеп-

ции спонтанного самозарождения организмов. Но, опровергнув

эту концепцию, Пастер, к сожалению, не предложил никакой

другой идеи. Поэтому в середине XIX в. наука не могла ничего

утвердительно сказать о том, как возникла жизнь на Земле.

На этом фоне в 1865 году немецким ученым

Георгом Рихтером на стыке космогонии и фи-

зики была разработана гипотеза занесения

жизни и живых существ на Землю из космоса —

панспермии.

Со-

гласно его идее, зародыши простых организмов могли попасть в

земные условия вместе с метеоритами и космической пылью, по-

ложив начало эволюции живого, породившей все многообразие

земной жизни. Таким образом, концепция панспермии (от греч.

рап — весь,

ьрегта

— семя) предполагает, что земная жизнь в ви-

де некоторых «семян» широко распространена в космосе.

В 1908 г. шведский химик Сванте Аррениус поддержал гипо-

тезу космического происхождения жизни. Он высказал мысль,

что жизнь на Земле началась тогда, когда на нашу планету из

космоса попали зародыши жизни. Аррениус считал, что «части-

447

Концепция

панспермии

цы

жизни», носящиеся в бескрайних просторах космоса,

пере>

носились давлением света от звезд, оседали то здесь, то там

осеменяя ту или иную планету.

Концепция панспермии была поддержана также Г.

Гельм

гольцем,

В.И. Вернадским, что способствовало ее широкому рас

пространению среди ученых. Довольно большое число сторонни

ков имеет эта концепция и в наши дни. Так, американские астро-

номы, изучая газовую туманность, отстоящую от Земли на 25 ты-

сяч световых лет, нашли в ее спектре следы аминокислот и дру-

гих органических веществ. В начале 1980-х годов американские

исследователи обнаружили в Антарктиде осколок породы, выби-

той когда-то с поверхности Марса крупным метеоритом. При

помощи электронного микроскопа в этом камне были обнаруже-

ны окаменевшие останки микроорганизмов, похожих на земные

бактерии. Это говорит о том, что в прошлом на Марсе существо

вала примитивная жизнь, может быть, она есть там и сейчас.

Тем не менее, убедительных аргументов в пользу концепции

панспермии нет. При этом есть серьезные доводы против нее.

Дело в том, что, хотя спектр возможных условий для существова-

ния живых организмов достаточно широк, все же считается, что

они должны погибнуть в космосе под действием ультрафиолето-

вых и космических лучей.

Были попытки опровергнуть это положение. Так, голландский

ученый

М. Гринберг считал, что на нашу планету жизнь

была.

занесена кометами. По его мнению, живые клетки зародились в

газовых хвостах комет. Поэтому он попытался воспроизвести в-'

лабораторных условиях

кометную

среду. Для этого Гринберг

смесь метана, окиси углерода и воды охладил до температуры

-269°С и подверг ультрафиолетовому облучению. В результате

он получил сложные органические соединения. Но опыты Грин-

берга не изменили мнения большинства ученых.

Некоторая часть ученых склоняется к версии о

«направленной»

панспермии. Она довольно неплохо изложена в произведениях не-

которых писателей-фантастов. Суть ее — в признании существова-

ния некой галактической сверхцивилизации сеятелей, которые

создают и распространяют

семена

жизни по разным планетам.

Среди ее сторонников — английский профессор Ф. Крик, один из

первооткрывателей

структуры гена. К сожалению, при всей своей

привлекательности эта версия не выдерживает строгой научной

критики, у нас нет ни одного довода в ее пользу.

Кроме того, все существующие варианты концепции пан-

спермии все равно не решают проблемы происхождения жизни.

448

Они лишь выносят ее за пределы Земли — если жизнь была за-

несена на Землю из космоса, то где и как она возникла там?

Концепция Концепция панспермии во многом смыкает-

стационарного

ся с

кон

епи

еи

стационарного состояния,

состояния заявляющей о том, что проблемы зарожде-

ния жизни вообще не существует. Некото-

рые ученые, среди которых был и В.И. Вернадский, заявляли,

что жизнь на Земле (как и сама Земля) никогда не возникала, а

существовала всегда и была занесена из космоса. В разные геоло-

гические эпохи менялись лишь формы жизни. Также считается,

что живые виды никогда не возникали, а существовали всегда,

что у каждого вида есть лишь две возможности — изменение

численности или вымирание.

Сторонники этой точки зрения исходят из принципа Реди,

утверждающего, что все живое происходит только от живого, а

также из отсутствия экспериментов, подтверждающих возмож-

ность зарождения живого из неживого. Кроме того, в их пользу

говорили научные данные, все дальше отодвигавшие время по-

явления нашей планеты. Если Ашер оценивал возраст Земли в 6

тысяч лет, то в наши дни он увеличился до 4,5 млрд лет. Также

немногочисленные сторонники этой концепции истолковывают

в свою пользу неясные аспекты эволюции, разрывы в палеонто-

логической летописи жизни.

1е

ли

..™м..„

Она

существует наряду с концепцией пан-

случайного спермин. Суть ее заключается в гипотезе о

однократного случайном характере возникновения на Зем-

появления

жизни

ле

первичной живой молекулы, которая поя-

вилась лишь раз за все время существования

нашей планеты. В силу этого обстоятельства экспериментальную

проверку данной гипотезы произвести невозможно. Эта гипотеза

получила широкое распространение среди генетиков в связи с от-

крытием роли ДНК в явлениях наследственности. Г. Меллер раз-

вивал мысль, что чисто случайно на Земле возникла единичная

«живая генная молекула», обладающая внутримолекулярным жиз-

неопределяющим строением, которое она пронесла неизменным

через все развитие земной жизни. Долгое время моделью такой

«живой молекулы» считали частицу

нуклеопротеида

вируса табач-

ной мозаики. Но сейчас стало очевидным, что вирусы нельзя рас-

сматривать как промежуточный этап на пути возникновения жиз-

ни. Дело в том, что вирусы являются организмами, паразитирую-.

шими

на других

живых

организмах, внутри которых они только и

могут жить.

Поэтому

вначале должна была возникнуть жизнь, а

потом вирусы.

Тем не менее, идея случайного возникновения ДНК до сих

пор широко распространена в научной литературе, хотя вероят-

ность такого события очень мала. И при всей своей внешней

наукообразности эта концепция по степени доказательности ма-

ло отличается от концепции креационизма.

Таким образом, на протяжении веков менялись взгляды на

проблему происхождения жизни, но наука все еще далека от

ее

решения. Как и сто, и двести лет назад, сегодня продолжаются

споры на эту тему, причем веских аргументов в пользу какой-то

точки зрения нет и в наши дни. Поэтому выбор позиции опре

деляется внутренними убеждениями каждого участника спора.

Тем не менее, все большее число ученых склоняется к тому,

чтобы рассматривать жизнь как особую форму движения мате-

рии, закономерно возникшую на определенном этапе ее разви-

тия. Разумеется, возникновение жизни содержало элемент слу-

чайности, но оно было не абсолютно случайным, а в основе сво-

ей закономерным, необходимым. Скорее всего, появление жизн

произошло в ходе процесса самоорганизации материи, когда хи-

мическая эволюция после одной из точек бифуркации привела к

появлению живого организма и началу биологической эволюции.

и 6

Одним из главных препятствий, стоявших в

ческой

эволкшии

начал

XX в. на пути решения проблемы воз-

Концепция никновения жизни, было господствовавшее

А.И. Опарина тогда в науке и основанное на повседневном

опыте убеждение в том, что органические ве-

щества в природных условиях возникают только биогенно, то есть

путем их синтеза живыми существами. Считалось, что представить

себе естественное возникновение даже простейших организмов из

неорганических веществ (углекислоты, воды, азота и т.д.) совер-

шенно невозможно. Поэтому так важно стало появление концеп-

ции А.И. Опарина, вступившей в противоречие с общепринятым

тогда мнением. В 1923 г. он выступил с утверждением, что прин-

цип Реди, вводящий монополию биотического синтеза органиче-

ских веществ, действует лишь в современную эпоху существования

нашей планеты. В начале же своего существования, когда Земля

была безжизненной, на ней происходили абиотические синтезы

углеродистых соединений и их последующая

предбиологическая

эволюция. Затем совершалось постепенное усложнение этих со-

единений и превращение юс в

протобионты

(доклеточные предки

живых организмов). Итогом стало появление первичных живых

существ. Иными словами, в раннюю геологическую эпоху было

возможно абиогенное происхождение жизни.

450

Опарин стал рассматривать появление жизни как единый ес-

тественный процесс, который состоял из протекавшей в услови-

ях ранней Земли химической эволюции,

перешедшей

на качест-

венно

новый уровень — биохимическую

эволюцию.

Исходя из

теоретических

предположений

он экспериментально доказал, что

под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ульт-

рафиолетовых лучей на газовые смеси первичной атмосферы

Земли, содержащие пары воды, аммиака, циана, метана и др.,

произошло появление аминокислот, нуклеотидов и их полиме-

ров. Также Опарин считал, что данные органические соедине-

ния накапливались и концентрировались в «первичном бульоне»

гидросферы Земли, после чего часть из них дала начало колло-

идным системам, которые он назвал

коацерватными

каплями.

Они и стали предками живых организмов на Земле.

Согласно гипотезе Опарина, возникновение и развитие хи-

мической эволюции произошло в ходе образования и накопле-

ния в первичных водоемах органических молекул. Весь даль-

нейший процесс представлялся ему следующим образом. Орга-

нические вещества сталкивались в сравнительно неглубоких мес-

тах первичных водоемов, прогреваемых солнцем. Солнечное из-

лучение доносило в то время до поверхности Земли ультрафио-

летовые лучи, которые в наше время задерживаются озоновым

слоем атмосферы. В свою очередь, ультрафиолетовые

лучи,

обес-

печивали энергией протекание химических реакций между орга-

ническими соединениями. Таким образом, в некоторых зонах

первичных водоемов произошли случайные химические реак-

ции. Большая их часть

быстро

завершалась из-за недостатка ис-

ходного

сырья.

Но в хаосе химических реакций произвольно

возникали и закреплялись реакции циклических типов, обла-

давшие способностью к самоподдержке и самоорганизации. Ре-

зультатом этих реакций и стали коацерваты — целостные систе-

мы, имеющие оболочку, отделяющую их от окружающей среды.

Существенной особенностью этих систем была способность по-

глощать из внешней среды различные органические вещества.

Иными словами, они осуществляли первичный обмен веществ

со средой, а это — одно из важнейших свойств и условий жизни.

Далее, как предполагал Опарин, начал действовать естественный

отбор, способствовавший

«выживанию*

наиболее устойчивых коа-

церватных систем. По сути дела, эти системы были примитив-

ными белками. Правда, коацерваты, описанные Опариным, бы-

ли наделены способностью к первичному метаболизму, но не

имели специальных структур для передачи генетической инфор-

мации. По мнению ученого, это свойство, как и свойство целе-

451

сообразности, приспособленности живых организмов к среде их

обитания, возникли позднее, в ходе естественного отбора.

Популярность концепции Опарина в научном мире очень

велика. Его книга «Происхождение жизни» вышла в свет еще в

1924 году. Но большую часть экспериментов, развивавших идеи

ученого, ставили уже в

1950—1960-е

годы. Так, Стэнли Миллер

ряде экспериментов смоделировал условия, существовавшие на

раннем этапе развития Земли. В сделанной им установке были

синтезированы многие аминокислоты, аденин, простые сахара и

другие вещества, имеющие важное биологическое значение. По-

сле этого Орджел в сходном эксперименте синтезировал про-

стые нуклеиновые кислоты.

Таким образом, ученики и последователи Опарина продол-

жили его исследования, добившись значительных результатов.

Но у его концепции есть как сильные, так и слабые стороны.

Сильной стороной концепции является достаточно точное со-

ответствие ее химической эволюции, согласно которой зарожде-

ние жизни является закономерным результатом добиологической

эволюнии материи. Убедительным аргументом в пользу этой

концепции является также возможность экспериментальной про-

верки ее основных положений. Это касается не только лабора-

торного воспроизведения предполагаемых физико-химических

условий первичной Земли, но и

коацерватов,

имитирующих док-

леточного предка и его функциональные особенности.

Слабой стороной концепции является невозможность объяс-

нения самого момента скачка от сложных органических соедине-

ний к живым организмам, ведь ни в одном из поставленных экс-

периментов получить жизнь так и не удалось. Кроме того, Опа-

рин допускает возможность самовоспроизведения коацерватов

при отсутствии молекулярных систем с функциями генетического

кода. Иными словами, без реконструкции эволюции механизма

наследственности объяснить процесс скачка от неживого к живо-

му не удается. Поэтому сегодня считается, что решить эту слож-

нейшую проблему биологии без привлечения концепции откры-

тых каталитических систем Руденко, молекулярной биологии, а

также кибернетики не получится.

18.2. Современное состояние проблемы

происхождения жизни

В настоящее время центральной проблемой в вопросе про-

исхождения жизни на Земле является описание эволюции раз-

вития механизма наследственности. Ученые сегодня убеждены,

452

что жизнь возникла только тогда, когда начал действовать меха-

низм репликации. Любая самая сложная комбинация аминокис-

лот и других сложных органических соединений — это еще не

жизнь. Но проблема в том, что появление праДНК вместо коа-

иерватной

капли тоже не может считаться началом жизни на

Земле. Дело в том, что современная ДНК может функциониро-

вать только при наличии белковых ферментов.

Таким образом, ученые-биологи, занимающиеся сегодня ре-

шением вопроса о происхождении жизни, сводят его к характе-

ристике доклеточного предка — протобионта, его структурных и

функциональных

особенностей.

1г

ли

..™.ч

Трудность решения этого вопроса объясняется

голобиоза

хорошо известным фактом: для саморепро-

и генобиоза дукции нуклеиновых кислот — основы гене-

тического кода — необходимы ферментные

белки, а для синтеза белков — нуклеиновые кислоты.

Конечно, проще всего было бы предположить, что оба эти

свойства появились одновременно, объединились в единую систе-

му в пределах протобионта, после чего началась их коэволюция —

одновременная и взаимосвязанная эволюция. К сожалению, этот

компромиссный вариант не получил признания ученых. Дело в

том, что белковые и нуклеиновые макромолекулы структурно и

функционально глубоко различны. В силу этого они не могла поя-

виться одновременно, в результате одного скачка в ходе химиче-

ской

эволюции.

Таким образом, невозможно их

сосуществование

протобиологической системе

(протобионте).

В результате, на протяжении большей части XX в. ученые

вели дискуссию о том, что было первичным — белки или нук-

леиновые кислоты, а также о том, как и на каком этапе про-

изошло их объединение в систему, способную к передаче генети-

ческой информации и регуляции биосинтеза белков, то есть яв-

ляющуюся живым организмом.

В зависимости от ответа на вопрос о первичности белков или

нуклеиновых кислот, все существующие гипотезы и концепции

можно разделить на две большие группы — голобиоза и генобиоза.

Рассмотренная нами концепция Опарина относится к группе

голобиоза — методологического подхода, утверждающего пер-

вичность структур клеточного типа, способных к элементарному

обмену веществ при участии ферментных белков. Появление

нуклеиновых кислот в этой концепции считается завершением

эволюции, итогом конкуренции протобионтов.

Згу

точку зрения

можно назвать субстратной.

453

Сторонники

генобиоза

исходят из убеждения в первичности

молекулярной системы со свойствами первичного генетического

кода. Эту группу гипотез и концепций можно назвать информа-

ционной. Примером этой точки зрения может служить концеп-

ция

Дж.

Ходдейна. Согласно ей, первичной была не структура,

способная к обмену веществ с окружающей средой, а

макромо-

лекулярная

система,

подобная гену и способная к саморепро-

дукции, и поэтому названная им «голым

геном*.

Вплоть до 1980-х годов имело место четко выраженное про-

тивостояние гипотез голобиоза и генобиоза. Оно обрело форму

дискуссии при обсуждении вопроса, что старше — голый ген

(способность к генетической репродукции) или белковый про-

тобионт (способность к метаболизму). В иной трактовке эта

дискуссия стала представлять собой противостояние двух кон-

цепций — информационной (генетической) и субстратной (об-

менно-метаболической).

В рамках этой дискуссии большую популярность приобрела

гипотеза английского биохимика П. Деккера, принадлежавшая к

направлению голобиоза. Он предположил, что структурной осно-

вой предка — биоида — были жизнеподобные неравновесные

;

диссипативные

системы. С точки зрения Деккера, они представ-

•

ляли собой открытые микросистемы с

мошным

ферментативным 1

аппаратом. Биоид подвергался мутациям, накапливал при этом 1

информацию, после чего эволюционировал.

Тем не менее, к началу 1980-х годов чаша весов стала скло-

няться в пользу концепции генобиоза. Во многом это произош-

ло благодаря новому истолкованию открытого еще Л.

Пастером

свойства молекулярной хиральности живых организмов. Посте-

пенно ученым стало ясно, что стереохимический код передается

одновременно с генетическим кодом. То есть сегодня считается,

что если молекулярная хиральность — изначальный и фунда-

ментальный признак живой материи, то способность возрождать

хирально чистые молекулярные блоки зародилась столь же рано,

как и способность к генетической саморепродукции. Функцией

стереохимического кода стало кодирование построения хираль-

но чистых мономеров, без которых невозможно комплиментар-

ное взаимодействие молекул субстрата и ферментов при

биохимических реакциях. Это кодирование производится с

помощью молекул ДНК или РНК.

Но оставался нерешенным вопрос о том, какая из этих ин-

формационных молекул появилась первой и сыграла роль мат-

рицы для первичной комплиментарной полимеризации? Кроме

того, по-прежнему стоял вопрос, как могла функционировать

иротобиотическая система в отсутствие ферментных белков, ес-

ли мы допускаем, что они появились позже?

Ответ на эти вопросы был получен к концу 1980-х годов. Он

гласил, что первичной была молекула РНК, а не ДНК. Призна-

ние этого факта было связано с наличием у РНК уникальных

свойств. Оказалось, что она наделена такой же генетической па-

мятью, как и молекула ДНК. Далее была установлена настоящая

вездесущность РНК — стало ясно, что нет организмов, в которых

отсутствовала бы РНК, хотя есть множество вирусов, геном кото-

рых не содержит ДНК. Также, вопреки устоявшейся догме, ут-

верждавшей,

что перенос генетической информации идет в на-

правлении от ДНК к РНК и белку, оказался возможным перенос

этой информации от РНК к ДНК при участии фермента, откры-

того в начале 1970-х годов.

В начале 1980-х годов была установлена способность РНК к

саморепродукции в отсутствии белковых ферментов, то есть бы-

ла открыта ее автокаталитическая функция. Это объясняло все

нерешаемые ранее вопросы. Таким образом, сегодня считается,

что протобионт представлял собой молекулу РНК. Древняя РНК

была транспортной и совмещала в себе черты как фенотипа, так

и генотипа. Иными словами, она могла подвергаться как гене-

тическим преобразованиям, так и естественному отбору. Сего-

дня уже очевидно, что процесс эволюции шел от РНК к белку, а

затем к образованию молекулы ДНК, у которой С-Н связи бо-

лее прочны, чем С-ОН связи РНК.

Очевидно, что возникновение хиральности, а также

первич-

ных молекул РНК не могло произойти в ходе плавного эволю-

ционного развития. Судя по всему, имел место скачок со всеми

характерными чертами самоорганизации вещества, об особенно-

стях которой уже говорилось выше.

В 1990-е годы появился еще ряд версий, в соответствии с кото-

рыми жизнь могла появиться в геотермальных источниках на мор-

ском дне, в тонких пленках органического вещества, адсорбиро-

ванного на поверхности кристаллов пирита или апатитов. Их по-

явление вызвано некоторыми недостатками концепции генобиоза,

но они еще не получили достаточного обоснования и развития.

Следующим этапом в процессе появления

жизни стало рождение настоящей живой

клетки. Сегодня ученые знают о первичной

клетке (археклетке) намного больше, чем

Образование

древнейшей

клетки

раньше. Археклетка была первичным живым организмом. У нее,

очевидно, была двухслойная оболочка (мембрана), она обладала

способностью всасывать через нее протоны, ионы и мелкие мо-

лекулы, а ее метаболизм основывался на низкомолекулярных

углеродных соединениях. В

археклетке

существовал клеточный

скелет, отвечавший за ее целостность, а также обеспечивавший

возможность ее деления. Жизнедеятельность клетки обеспечива-

лась за счет

аденозинтрифосфорной

кислоты.

Возможно,

археклетки

были схожи с недавно открытыми ар-

хеобактериями и представляли собой прото-эукариотную систему,

дальнейшая эволюция которых шла как по линии приобретения

новых свойств эукариотами, так и по пути их утраты прокариота- -

ми. Этот процесс занял несколько миллиардов лет. Считается, что

первые прокариоты появились более 4 млрд лет назад. Ими были

бактерии и сине-зеленые водоросли — практически бессмертные

организмы, жившие в очень сложных условиях. Эукариоты появи-

лись около 2,6 млрд лет назад, они уже не были бессмертными, и с

их появлением процесс эволюции жизни начал

ускоряться.

Существует три гипотезы, объясняющих появление эукари-

отной

клетки.

Согласно аутогенной версии усложнение археклетки шло по-

степенно по пути приобретения все новых внутренних структур и

функций, результатом чего стало появление оформленного ядра.

Существует гипотеза

симбиогенеза,

которая предполагает, что

качественное усложнение клетки и появление в ней ядра про-

изошло в результате внедрения нескольких

прокзриотных

кле-

ток в клетку-хозяина.

Гипотеза споры сводит процесс образования

эукариотной

клет-

ки к спорообразованию, свойственному многим одноклеточным

организмам. Существует возможность торможения процесса

спорообразования в результате мутации, что привело к образо-

ванию прокариотов. Если же таких мутаций не было, то

потаи-

лись эукариоты.

Какая из этих гипотез верна, покажет будущее.

18.3. Сущность и определение жизни

Биологическая наука испытывала серьезные трудности не

только с проблемой происхождения жизни, но и с определением

ее сущности.

История вопроса

Д°

лгое

емя

науке существовало два ос-

новных подхода к решению этого вопроса —

механицизм и витализм. Они приняли законченную форму в

XIX веке в результате ожесточенных дискуссий между их пред-

ставителями.

456

Механистический материализм, характерный для классиче-

ской науки Нового времени, не признавал качественной специ-

фики живых организмов и представлял жизненные процессы

как результат действия химических и физических процессов.

Поэтому механицизм отождествлял живые организмы со слож-

ными машинами. Но такой подход неверен в самой своей осно-

ве, ведь аналогия между живым существом и машиной не объ-

ясняет причину целесообразности живого организма.

Целесооб-

разность машин связана с тем, что они целенаправленно созда-

ются человеком для выполнения определенной работы, и по-

этому они приспособлены к ней. Но оценивать жизнь с таких

позиций, оставаясь в рамках материалистического мировоззре-

ния, нельзя, иначе нам придется признать существование творца

всего живого — Бога. Таким образом, механицизм и его более

поздняя разновидность — редукционизм, всякий раз беспомощ-

но останавливались перед проблемой сущности жизни.

Противоположной точкой зрения стал витализм (от лат.

VI-

1аНк

— жизненный), который объяснял качественное отличие

живого от неживого наличием в живых организмах особой

«жизненной силы», отсутствующей в неживых предметах и не

подчиняющейся физическим законам. Такое решение проблемы

сущности жизни тесно связано с признанием факта творения ее

Богом, разумным материальным началом и т.д.

К концу XX в. биологи стали намного больше знать о том,

что такое жизнь, как она устроена, каковы ее существенные

признаки. Тем не менее, современные предположения о сущно-

сти жизни во многом остаются гипотетичными. С этим связано

отсутствие общепринятого определения жизни.

А-»»».....

На обыденном уровне мы все интуитивно

жизни

в совре- понимаем, что представляет собой живое, а

менной

биологии

что

~ неживое. Однако при попытке четко

сформулировать определение жизни возни-

кают большие трудности, так как сущность жизни понимается и

определяется неоднозначно.

Большинство ученых убеждено, что жизнь представляет со-

бой особую форму существования материального мира. До кон-

ца

1950-х

годов в научной и философской литературе общепри-

нятым было знаменитое определение Ф. Энгельса, в котором го-

ворилось, что жизнь есть способ существования белковых тел,

состоящий в постоянном самообновлении химических состав-

ных частей этого тела. Но постепенно стало очевидным, что

субстратная основа жизни не сводится только к белкам, а функ-

циональная — к присущему белковым телам обмену веществ.

457

Также ученым удалось точно установить, что качественное

отличие живого от неживого заключено в структуре их

соединен

ний, строении и связях, особенностях функций, характеристики

и организации протекающих внутри организма процессов. Кро-

ме того, жизнь отличается динамичностью и лабильностью. Но

при этом можно говорить о полном тождестве

химический

элементов, входящих в состав живого и неживого.

На основании новых данных во второй половине XX в.

поя^

вились новые определения жизни. Среди них — определение

жизни как апериодического кристалла, данное Э.

Шредингером,

Интересно определение жизни как космической организованно-

сти материи /. Югая. Существуют также определения, подчер-

кивающие энергетический аспект жизни — ее противостояние

энтропийным процессам. А в определении канадского биолога

Г.

Селье

жизнь

понимается как процесс непрерывной адаптации

организмов к постоянно изменяющимся условиям внешней и

внутренней среды. При этом организм оказывается способным

поддерживать стабильность всех своих структур и функций, не-

смотря на воздействие различных внешних факторов.

Современная биология в вопросе о сущности жизни все чаще

идет по пути перечисления основных свойств живых организмов.

Акцент делается на то, что только совокупность данных свойств

может дать представление о специфике жизни. Таково определе-

ние жизни Б.М.

Медникова.

Он называет жизнью активное, иду-

щее с затратой энергии поддержание и воспроизведение специ-

фических структур, обладающих следующими свойствами: нали-

чие генотипа и фенотипа; репликация генетических программ

матричным способом; неизбежность ошибок на микроуровне при

репликации, приводящих к мутациям; многократное усиление

этих изменений в ходе формирования фенотипа и их селекция

со стороны факторов внешней среды.

В этом определении акцент сделан на то, что жизнь связана

с воспроизведением характерной для каждого вида упорядочен-

ности. При этом организм воспроизводит себя и поддерживает

свою целостность за счет использования элементов окружающей

среды с более низкой упорядоченностью. Чужая упорядочен-

ность организму не нужна, так как это будет означать воспроиз-

ведение чуждых для данного организма структур и приведет к

его гибели. Именно это происходит, когда в клетку проникает

вирус, заставляющий ее развиваться по его генетической про-

грамме. Так начинаются болезни, могущие привести к смерти

всего организма. Поэтому любой организм имеет иммунную

458

систему, защищающую его от проникновения

«чужаков».

Сбой в

работе иммунной системы очень опасен для любого организма,

хотя в некоторых случаях (например, при пересадке органов) ее

приходится подавлять искусственно, чтобы избежать отторже-

ния

пересаженного органа.

Даже в процессе питания, когда

мы

поглощаем части расте-

ний и животных, в первую очередь идет разрушение чужой упо-

рядоченности: белки расщепляются до аминокислот, сложные

углеводы

— до моносахаридов, нуклеиновые кислоты — до нук-

леотидов. И лишь после того организм из этих элементарных

«кирпичиков» живого строит те белки и нуклеиновые кислоты,

которые нужны ему. Так что организмы берут извне не готовую

упорядоченность, а энергию (растения — свет, животные — ма-

лоокисленные соединения для их сжигания в процессе дыха-

ния), с помощью которой они воссоздают свою специфическую

структуру.

Для того, чтобы понять сущность жизни, необходимо прежде

всего установить, что такое живое и чем оно отличается от не-

живого.

числу свойств живого обычно относят следующие

признаки:

• живые организмы характеризуются сложной упорядочен-

ной структурой. Уровень их организации значительно вы-

ше, чем в неживых системах;

• живые организмы получают энергию из окружающей сре-

ды, используя ее на поддержание своей высокой упорядо-

ченности. Большая часть организмов прямо или косвенно

используют солнечную энергию;

. живые организмы активно реагируют на окружающую сре-

ду. Способность реагировать на внешнее раздражение —

универсальное свойство всех живых существ, как расте-

ний, так и животных;

. живые организмы не только изменяются, но и усложняются;

• все живое размножается. Способность к самовоспроизве-

дению — один из самых главных признаков жизни, так

как в этом проявляется действие механизма наследствен-

ности и изменчивости, определяющих эволюцию всех ви-

дов живой природы;

• живые организмы передают потомкам заложенную в их ге-

нах информацию, необходимую для жизни, развития и раз-

множения. Ген — единица наследственности, являющаяся

мельчайшей внутриклеточной структурой. Генетический

материал определяет направление развитие организма. Вот

459

почему потомки похожи на родителей. Однако эта инфор-

мация в процессе передачи несколько меняется, искажает-

ся, что делает потомков отличными от своих родителей;

• живые организмы хорошо приспособлены к среде обита-

ния и соответствуют своему образу жизни.

В обобщенном и упрощенном варианте все отмеченное

можно выразить в выводе, что все живые организмы питаются,

дышат, растут, размножаются и распространяются в природе.

Естественно, что все эти признаки должны быть отражены в.

определении жизни. Таким образом, можно предложить сле-

дующее определение:

жизнь —

высшая

из природных форм движения материи, она

характеризуется самообновлением,

саморегуляцией

самовос-

произведением разноуровневых открытых систем, вещественную

основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фос-

форорганические

соединения.

18.4. Появление жизни на Земле

Как было отмечено выше, в вопросе появления жизни на

нашей планете

еще

много остается неясного и неопределенного.

Эта проблема далека от окончательного решения. Тем не менее,

современная наука дает возможность выдвинуть некоторые ги-

потезы, отвечающие на вопросы о том, как, когда и в какой

форме появилась жизнь на Земле.

„

История жизни и история Земли неотдели-

необходимыё

для

мьг друг от

ДРУ™»

так как

им

^нно

в процес-

появления жизни

сах

развития нашей планеты закладывались

физические и химические условия, необхо-

димые для появления и развития жизни.

Жизнь может существовать в достаточно узком диапазоне

температур, давлений, радиации. Для ее появления нужны были

материальные основы — химические

элементы-органогены

и в

первую очередь углерод, так как именно он лежит в основе

жизни. Этот элемент обладает рядом свойств, делающих его не-

заменимым для образования живых систем. Прежде всего, угле-

род способен создавать разнообразные органические соедине-

ния, число которых достигает нескольких десятков миллионов.

Среди них — насыщенные водой, подвижные, низкоэлектро-

проводные, скрученные в цепи структуры. Соединения углерода

с водородом, кислородом, азотом, фосфором, серой и железом

обладают хорошими каталитическими,

строительными,

энерге-

тическими, информационными и иными свойствами.

Наряду с углеродом к «кирпичикам» живого относятся кисло-

род, водород и азот. Ведь живая клетка состоит на 70% из кисло-

рода, углерода в ней 17%, водорода —

10,

азота — 3%. Перечис-

ленные элементы-органогены принадлежат к наиболее устойчи-

вым и распространенным во Вселенной химическим элементам.

Они легко соединяются между собой, вступают в реакции и обла-

дают малым атомным весом. Их соединения легко растворяются

в воде. Эти элементы, очевидно, поступили из космической пы-

ли, которая стала материалом для сложения планет в Солнечной

системе. Еще на стадии формирования планет возникли углево-

дороды, соединения азота, и в первичных атмосферах планет бы-

ло много метана, аммиака, водяного пара и водорода. Они-то и

стали сырьем для получения сложных органических веществ,

входящих в состав живых белков и нуклеиновых кислот (амино-

кислот и нуклеотидов).

Огромную роль в появлении и функционировании живых

организмов играет вода, ведь они на 90% состоят из нее. Поэто-

му вода выступает не только средой, но и обязательным участ-

ником всех биохимических процессов. Вода обеспечивает мета-

болизм клетки, терморегуляцию организмов. Кроме того, водная

среда как уникальная по своим упругим свойствам структура по-

зволяет всем определяющим жизнь молекулам реализовать свою

пространственную организацию. Поэтому жизнь зародилась в

воде, но даже выйди из моря на сушу, она сохранила внутри

живой клетки океаническую среду.

Наша планета богата водой и расположена на таком рас-

стоянии от Солнца, что необходимая для жизни основная масса

воды находится в жидком, а не в твердом или газообразном со-

стоянии, как на других планетах. На Земле поддерживается оп-

тимальная температура для существования жизни, основанной на

углероде.

Закономерно возникает вопрос, могла ли жизнь появиться

где-либо еше во Вселенной. Выше уже рассматривалась эта про-

блема, но все наши рассуждения остаются лишь догадками. Пока

у нас нет доказательств ни в пользу существования иных форм

жизни, ни в пользу того, что жизнь на Земле является уникаль-

ным явлением. В принципе, условия для появления жизни могли

возникнуть на многих планетах, образовавшихся возле звезд оп-

ределенного типа. Не исключена вероятность появления жизни и

в космосе, вдали от планет. Но пока мы знаем только одно место

во Вселенной, где есть жизнь, — это наша планета Земля, яв-

ляющая «золотой серединой» Солнечной системы.

461

Какой была Наши знания о ранее живших организмах

ейшая невелики. Ведь миллиарды особей, представ-

жизнь? ливших самые разные виды, исчезли, йе ос-

тавив никакого следа. По оценке некоторых

палеонтологов, в ископаемом состоянии до нас дошли останки

только

0,01%

всех видов живых организмов, населявших Землю.

Среди них только те организмы, которые могли сохранить

структуру своих форм путем замещения или в результате со-

хранности отпечатков. Все прочие виды до нас просто не дош-

ли, и о них мы не сможем узнать ничего и никогда.

Долгое время считалось, что возраст древнейших отпечатков

живых организмов, к которым относятся трилобиты и другие

высокоорганизованные водные организмы, составляет 570 млн

лет. Позже были найдены следы намного более древних орга-

низмов — минерализовавшихся нитчатых и округлых микроор-

ганизмов примерно десятка различных

видов,

напоминающих

простейшие бактерии и микроводоросли. Возраст этих останков

был оценен в 3,2—3,5 млрд лет. Они были найдены в кремни-

стых пластах Западной Австралии. Эти организмы, видимо,

имели сложную внутреннюю структуру, в них присутствовали

химические элементы, соединения которых были способны

осуществлять фотосинтез. Данные организмы бесконечно слож-

ны по сравнению с самым сложным из известных органических

соединений неживого (абиогенного) происхождения. Нет со-

мнений, что это не самые ранние формы жизни и что существо-

вали их более древние предшественники.

Поэтому сегодня ученые уже не сомневаются в том, что ис-

токи жизни на Земле уходят в тот «темный» первый миллиард

лет существования нашей планеты, не оставивший следа в ее

геологической истории. Подтверждает эту точку зрения и тот факт,

что известный биогеохимический цикл углерода, связанный с

фотосинтезом в биосфере, стабилизировался более 3,8 млрд лет

назад. Это позволяет считать, что фотоавтотрофная биосфера

существовала на нашей планете не менее 4 млрд лет назад. Но

по данным цитологии и молекулярной биологии, фотоавто-

трофные организмы были вторичными в процессе эволюции

живого вещества. Автотрофному способу питания живых орга-

низмов должен был предшествовать гетеротрофный способ,

как более простой. Автотрофные организмы, строящие свое

тело за счет неорганических минеральных веществ, имеют бо-

лее позднее происхождение. Об этом свидетельствуют следую-

щие факты:

462

* все современные организмы обладают системами, приспо-

собленными к использованию готовых органических ве-

- ществ как исходного строительного материала для процес-

сов биосинтеза;

• преобладающее число видов организмов в современной

биосфере Земли может существовать только при постоян-

ном снабжении готовыми органическими веществами;

. у гетеротрофных организмов не встречается никаких при-

знаков или рудиментарных остатков тех специфических

ферментных комплексов и биохимических реакций, кото-

рые необходимы для автотрофного способа питания.

Таким образом, можно сделать вывод о первичности гетеро-

трофного способа питания. Древнейшая жизнь, вероятно, суще-

ствовала в качестве гетеротрофных бактерий, получавших пищу

и энергию от органического материала абиогенного происхож-

дения, образовавшегося еще раньше, на космической стадии эво-

люции Земли. На этом основании начало жизни как таковой ото-

двигается

еше

дальше, за пределы каменной летописи земной

коры, более чем на 4 млрд лет назад.

Учитывая вышесказанное, нетрудно прийти к общему заклю-

чению о том, что жизнь на Земле существует примерно столько

же времени, сколько существует сама планета. Именно это имел в

виду В.И. Вернадский, когда говорил о вечности жизни на Земле.

Говоря о древнейших организмах не Земле, также следует от-

метить, что по типу своего строения они были прокариотами,

возникшими вскоре после появления

археклетки.

В отличие от

эукариотов они не имели оформленного ядра, и ДНК распола-

галась в клетке свободно, т.е. не было отделено от цитоплазмы

ядерной мембраной. Различия между прокариотами и эукарио-

тами гораздо глубже, чем между высшими растениями и выс-

шими животными, те и другие относятся к эукариотам. Предста-

вители прокариотов живут и сегодня. Это бактерии и сине-зеленые

водоросли. Очевидно, первые организмы, жившие в очень жест-

ких условиях первоначальной Земли, были похожи на них.

Ученые также не сомневаются в том, что древнейшие орга-

низмы Земли были анаэробными организмами, получавшими не-

обходимую им энергию за счет дрожжевого брожения. Большая

часть современных организмов является аэробными и использу-

ет кислородное дыхание (окислительные процессы), дающее им

необходимое количество энергии для жизни.

Сегодня уже не вызывает сомнений, что В.И. Вернадский,

предположивший, что жизнь сразу возникла в виде примитив-

463

ной биосферы, был нрав. Только разнообразие видов живых ор-

ганизмов могло обеспечить выполнение всех функций живого

вещества в биосфере. Ведь жизнь является

мощнейшей

геологи-

ческой силой, вполне сравнимой по энергетическим затратам и

внешним эффектам с такими геологическими процессами, как

горообразование, извержение вулканов, землетрясения и т.д.

Жизнь не просто существует в окружающей ее среде, но актив-

но эту среду формирует, преобразуя ее «под себя». Не следует

забывать, что весь лик современной Земли, все ее ландшафты,

все осадочные породы, метаморфические породы (граниты,

гнейсы, образовавшиеся из осадочных пород), запасы полезных

ископаемых, современная атмосфера являются результатом дей-

ствия живого вещества.

Эти данные позволили Вернадскому утверждать, что с само-

го начала биосферы входящая в нее жизнь должна была быть

уже сложным телом, а не однородным веществом, так как био-

геохимические функции жизни в силу своего разнообразия и

сложности не могут быть связаны только с какой-то одной

формой жизни. Таким образом, первичная биосфера изначально

была представлена богатым функциональным разнообразием.

Поскольку организмы проявляются не единично, а в массовом

эффекте, первое появление жизни должно было произойти не в

виде какого-то одного вида организмов, а их совокупности.

Иными словами, сразу должны были появиться первичные био-

ценозы. Состояли они из простейших

одноклеточных

организ-

мов, так как все без исключения функции живого вещества в

биосфере могут быть выполнены ими.

И наконец, следует сказать, что первичные организмы и био-

сфера могли существовать только в воде. Выше мы уже

говори-

ли, что все организмы нашей планеты теснейшим образом свя-

заны с водой. Именно связанная вода, не теряющая своих ос-

новных свойств, является их важнейшим составным компонен-

том и составляет 60—99,7% веса.

Именно в водах первичного океана образовался «первичный

бульон».

Ведь морская вода сама по себе представляет естест-

венный раствор, содержащий все химические элементы. В ней

образовались вначале простые, а затем и сложные органические

соединения, среди которых были аминокислоты и нуклеотиды.

В этом «первичном бульоне» и произошел скачок, давший нача-

ло жизни на Земле. Немаловажное значение для появления и

дальнейшего развития жизни имела радиоактивность воды, ко-

торая тогда была в 20—30 раз большей, чем сейчас. Хотя пер-

464

вичние

организмы были намного устойчивее к радиации, чем

современные, мутации в те времена происходили намного чаще,

поэтому естественный отбор шел интенсивнее, чем в наши дни.

Кроме того, не следует забывать о том, что первичная атмо-

сфера Земли не содержала свободного кислорода, поэтому в ней

отсутствовал озоновый экран, защищающий нашу планету от

ультрафиолетовой

радиации Солнца. В силу этих причин на

су-,

юе

жизнь просто не могла возникнуть, а вода служила достаточ-

ным препятствием для этих лучей.

Итак, подводя итоги, следует отметить, что первичные орга-

низмы, возникшие на Земле более 4 млрд лет назад, обладали

следующими свойствами:

• они были гетеротрофными организмами, то есть питались

готовыми органическими соединениями, накопленными

на этапе космической эволюции Земли;

. они были прокариотами — организмами, лишенными

оформленного ядра;

. они были анаэробными организмами, использующими в

качестве источника энергии дрожжевое брожение;

• они появились в виде первичной биосферы, состоящей

из'

биоценозов, включающих различные виды одноклеточных

организмов;

. они появились и долгое время существовали только в во-

дах первичного океана.

н,

,г,

«.«

ии

• Поскольку жизнь неразрывно связана

ПЭЧдПО

ЖИЛ1И

„

на Земле

со

едои

своего

обитания, начало жизни

следует изучать в тесной связи с теми кос-

мическими и геологическими процессами, в ходе которых обра-

зовалась и развивалась наша планета.

Завершение этапа космической эволюции Земли, в ходе кото-

рой она сложилась из планетезималий, произошло около 4,5 млрд

лет назад. После этого наша планета стала постепенно остывать,

формируя кору, а также атмосферу и гидросферу за счет дегаза-

ции лав, выплавлявшихся из верхней мантии при интенсивном

вулканизме. Есть достаточно доказательств, что при этом на по-

верхность Земли поступали пары воды и газообразные соедине-

ния углерода, серы и азота.

Первичная атмосфера Земли была очень тонкой, разреженной,

атмосферное давление у поверхности не превышало 10 мм ртут-

ного столба. По составу она была схожа с теми газами, которые

выбрасывались при извержении вулканов. Это подтверждает

465