1.1 Возникновение живой материи

Окружающий человека мир представляет собой сложно организованную систему, в которой выделяются определенные подсистемы, уровни и подуровни. Природа в широком смысле слова подразделяется на две крупные подсистемы или, можно сказать, на два взаимосвязанных уровня. Речь идет о неживой природе и о природе живой (биоте), которые тесно взаимодействуют и отличаются спецификой иерархической структуры, особенностями происхождения и развития.

Для того чтобы правильно представить процесс возникновения жизни, необходимо кратко рассмотреть современные взгляды на образование Солнечной системы и положение Земли среди планет.

Земля и другие планеты Солнечной системы образовались из газо-пылевого облака около 4,5 млрд лет назад. Такая газово-пылевая материя встречается в межзвездном пространстве и в настоящее время. Водород – преобладающий элемент Вселенной. Путем реакций ядерного синтеза из него возникает гелий, из которого в свою очередь образуется углерод. Ядра атомов гелия объединялись с ядрами углерода и формировали ядра кислорода, затем неона, магния, кремния, серы и т.д.

Для возникновения жизни на Земле необходимы были некоторые космические и планетарные условия. Во-первых, оптимальные размеры планеты. Масса ее не должна была быть слишком большой, так как энергия атомного распада природных радиоактивных веществ может привести к перегреваю планеты или к радиоактивному загрязнению среды, несовместимому с жизнью. Слишком маленькие планеты не способны удерживать около себя атмосферу, потому что сила притяжения их невелика. Во-вторых, движение планеты вокруг звезды по круговой или близкой к круговой орбите позволяет постоянно и равномерно получать от нее необходимое количество энергии. В-третьих, постоянная интенсивность излучения светила. Неравномерность потока энергии препятствовала бы возникновению и развитию жизни, так как существование живых организмов возможно лишь в узких температурных пределах.

Всем этим условиям удовлетворяла наша планета – Земля, на которой около 4,5 млрд лет назад создались условия для более высокого уровня развития материи – ее эволюции в направлении возникновения жизни.

Существующие теории возникновения живого сводятся в пять концепций:

1. Креационизм – сотворение. Модель, предполагающая сотворение одновременно всех единиц природы: атомов, молекул, организмов, планет и т.д. Значит, что не может идти речь об эволюционизме, о происхождении одних видов растений и животных от других. Отвергается и синергетический подход к развитию систем: мир разрушается, т.е. переходит не от хаоса к порядку, а наоборот. Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения, уже по этой причине концепция выводится за рамки научного исследования.

2. Панспермия – перенос жизни на Землю из космоса посредством органических соединений. Сторонниками такого взгляда были У. Кельвин, Г.Гельмгольц, С. Аррениус, Л.С.Берг, П.П. Лазарев, С.П. Костычев. С планет, населенных другими существами, уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки, живые споры микроорганизмов. Они сохраняют свою жизнеспособность, летая в пространстве Вселенной за счет светового давления. Попадая на планету с подходящими условиями, они начинают на ней новую жизнь. Для обоснования этой теории, используются сообщения о неопознанных летающих объектах, наскальные изображения. Современная наука располагает только фактами обнаружения на метеоритах и кометах веществ, которые являются лишь предвестниками живого: цианогентов, синильной кислоты и др. Однако все вещества космического происхождения ( остатки метеоритов или лунный грунт) не обладают характерной для живых организмов дисимметрией

3. Биогенез – концепция стационарного состояния. Жизнь существовала всегда, как и материя вообще. Меняются виды, меняется их численность на Земле, жизнь перетекает между ними. Большая часть доводов этой точки зрения связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи: появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте объясняется увеличением его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения останков. Сторонники этой концепции немногочисленны из-за ее оригинальности и умозрительности.

4. Абиогенез – самопроизвольное возникновение живого из неживого. Эта теория была распространена в древнем Китае, Вавилоне и Египте. Ее сторонниками были Аристотель, Платон, Демокрит, предполагавшие активное жизненное начало то в солнечном свете, то в иле озер, то в воде, то в земле. Научными исследователями концепция была отвергнута 0( Ф. Реди, Л.Пастер).

5. Геохимическая – зарождение жизни в результате физико-химических процессов одновременно с эволюцией планеты. В середине прошлого столетия Л. Пастер окончательно доказал невозможность самозарождения жизни в теперешних условиях. В 20-х годах текущего столетия биохимики А. И. Опарин и Дж. Холдейн предположили, что в условиях, имевших место на планете несколько миллиардов лет назад, образование живого вещества было возможно. К таким условиям они относили наличие атмосферы восстановитель­ного типа, воды, источников энергии (в виде ультрафиолетового (УФ) и космического излучения, теплоты остывающей земной коры, вулка­нической деятельности, атмосферных электрических явлений, радио­активного распада), приемлемой температуры, а также отсутствие других живых существ.

Главные этапы на пути возникновения и развития жизни, по-ви­димому, состоят в:

1) образовании атмосферы из газов, которые могли бы служить «сырьем» для синтеза органических веществ (метана, оксида и диоксида углерода, аммиака, сероводорода, цианистых сое­динений), и паров воды;

2) абиогенном (т.е. происходящем без участия организмов) образовании простых органических веществ, в том числе мономеров биологических полимеров — аминокислот, сахаров, азоти­стых оснований, АТФ и других мононуклеотидов;

3) полимеризации мономеров в биологические полимеры, прежде всего белки (полипеп­тиды) и нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды);

4) образовании предбиологических форм сложного химического состава — протоби-онтов, имеющих некоторые свойства живых существ;

5) возникновении простейших живых форм, имеющих всю совокупность главных свойств жизни,— примитивных клеток;

6) биологической эволюции возник­ших живых существ.

Возможность абиогенного образования органических веществ, вклю­чая мономеры биологических полимеров, в условиях, бывших на Земле около 4 млрд. лет назад, доказана опытами химиков. В лабораторных условиях при пропускании электрических разрядов через различные газовые смеси, напоминающие примитивную атмосферу планеты, а также при использовании других источников энергии ученые получали среди продуктов реакций аминокислоты (аланин, глицин, аспарагиновую кислоту), янтарную, уксусную, молочную кислоты, мочевину, азотистые основания (аденин, гуанин), АДФ и АТФ. Низкомолекуляр­ные органические соединения накапливались в водах первичного океана в виде первичного бульона или же адсорбировались на поверх­ности глинистых отложений. Последнее повышало концентрацию этих веществ, создавая тем самым лучшие условия для полимеризации.

Возможность полимеризации низкомолекулярных соединений с обра­зованием полипептидов и полинуклеотидов (определяющая следующий этап на пути возникновения жизни) непосредственно в первичном бульоне вызывает сомнения по термодинамическим соображениям. Водная среда благоприятствует реакции деполимеризации. Ученые предполагают, что образование полипептидов и полинуклеотидов мог­ло происходить в пленке из низкомолекулярных органических соеди­нений в безводной среде, например на склонах вулканических конусов, покрытых остывающей лавой. Это предположение находит подтверж­дение в опытах. Выдерживание в течение определенного времени при 130°С сухой смеси аминокислот в сосудах из кусков лавы приводило к образованию полипептидов.

Образующиеся описанным образом биополимеры смывались лив­невыми потоками в первичный бульон, что защищало их от разруша­ющего действия УФ-излучения, которое в то время из-за отсутствия в атмосфере планеты озонового слоя было очень жестким.

По мере повышения концентрации полипептидов, полинуклеоти­дов и других органических соединений в первичном бульоне сложились условия для следующего этапа — самопроизвольного возникновения предбиологических форм сложного химического состава, или протобионтов. Предположительно они могли быть представлены коацерва-тами (А. И. Опарин) или микросферами (С. Фокс). Это коллоидные капли с уплотненным поверхностным слоем, имитирующим мембрану, содержимое которых составляли один или несколько видов биополи­меров. Возможность образования в коллоидных растворах структур типа коацерватов или микросфер доказана опытным путем.

При определенных условиях коацерваты проявляют некоторые общие свойства живых форм. Они способны до известной степени избирательно поглощать вещества из окружающего раствора. Часть продуктов химических реакций, проходящих в коацерватах с участием поглощаемых веществ, выделяется ими обратно в среду. Происходит процесс, напоминающий обмен веществ. Накапливая вещества, коа­церваты увеличивают свой объем (рост). По достижении определенных размеров они распадаются на части, сохраняя при этом некоторые черты исходной химической организации (размножение). Поскольку устойчивость коацерватов различного химического состава различна, среди них происходит отбор.

Перечисленные выше свойства ученые усматривают у протобионтов. Протобионты представляются как обособленные от окружающей среды, открытые макромолекулярные системы, возникавшие в пер­вичном бульоне и способные к примитивным формам роста, размно­жения, обмена веществ и предбиологическому химическому отбору.

Предбиологическая эволюция протобионтов осуществлялась в трех главных направлениях. Важное значение имело совершенствование каталитической (ферментной) функции белков. Один из путей, даю­щих требуемый результат, заключается, по-видимому, в образовании комплексов металлов с органическими молекулами. Так, включение железа в порфириновое кольцо гемоглобина увеличивает его катали­тическую активность в сравнении с активностью самого железа в растворе в 1000 раз. Развивалось такое свойство биологического ката­лиза, как специфичность. Во-вторых, исключительная роль в эволюции протобионтов принадлежит приобретению полинуклеотидами способ­ности к самовоспроизведению, что сделало возможным передачу инфор­мации от поколения к поколению, т.е. сохранение ее во времени. В основе этой способности лежит матричный синтез. Механизм матрич­ного синтеза был использован также для переноса информации с полинуклеотидов на полипептиды. Третье главное направление эво­люции протобионтов состояло в возникновении мембран. Отграничение от окружающей среды мембраной с избирательной проницаемостью превращает протобионт в устойчивый набор макромолекул, стабили­зирует важные параметры обмена веществ на основе специфического катализа.

Разделение функций хранения и пространственно-временной пе­редачи информации, с одной стороны (нуклеиновые кислоты), и использование ее для организации специфических структуры и обмена веществ - с другой (белки); появление молекулярного механизма матричного синтеза биополимеров; освоение эффективных систем энергообеспечения жизнедеятельности (АТФ); образование типичной биологической мембраны — все это привело к возникновению живых существ, которые поначалу были представлены примитивными клет­ками.

С момента появления клеток предбиологический химический от­бор уступил место биологическому отбору. Дальнейшее развитие жизни шло согласно законам биологической эволюции. Переломным моментом на этом пути было возникновение клеток эукариотического типа, многоклеточных организмов, человека.