Календарь Карла Сагана
Около 14 млрд. лет назад случился Большой взрыв, в результате которого Вселенная начала расширяться и расширяется до сих пор. Все временные интервалы в нашем мире – от самых больших до самых маленьких – неизбежно вложены в этот максимальный интервал. Американский астроном Карл Саган предложил календарь, который позволяет наглядно представить себе взаимоотношение разных временных масштабов. Возраст Вселенной приравнен в ней к одному году, а все остальные интервалы пропорционально уменьшены.
Вот основные даты этого календаря. Большой взрыв – 1 января 0 часов 0 минут 0 секунд. Образование Галактик – 10 января. Образование Солнечной системы – 9 сентября. Образование Земли – 14 сентября. Возникновение жизни на Земле – 25 сентября. Появление бактерий – 9 октября. Первые клетки с ядром – 15 ноября. Дальнейшие события, связанные с развитием жизни на Земле, вынесены в отдельный «декабрьский» блок, расписанный по дням. Заметим, что человек в этом временном масштабе существует только последние полтора «предновогодних» часа. А средняя человеческая жизнь длится чуть больше, чем 0,1 секунды.
Обзор теорий возникновения жизни
Теория стационарного состояния. Если следовать этой гипотезе, Земля существовала вечно, никогда не возникала, всегда была способна поддерживать жизнь и любые изменения на ней являлись совершенно незначительными. Виды живых организмов также существовали всегда и у любого вида есть всего две возможности – изменение численности либо вымирание. Понятно, что эта «теория» в настоящее время просто не выдерживает никакой критики.
Теория спонтанного зарождения. Теория очень древняя, распространённая ещё в Китае, Египте и Вавилоне. В Греции она нашла проявление в учении Эмпедокла об органической эволюции. Её же придерживался и Аристотель. Согласно ему, определённые частицы вещества несут в себе «активное начало», способное в подходящих условиях создать живой организм. Это «начало», по мнению Аристотеля, можно обнаружить в оплодотворённом яйце, гниющем мясе, тине и солнечном свете:
«Таковы факты – живое может возникать не только в результате спаривания животных, но и разложения почвы … . Некоторые растения развиваются из семян, а другие самозарождаются под действием сил природы из разлагающейся земли или определённых частей растений…».
Однако, с приходом Христианства, особенно в Средние века, теория спонтанного зарождения оказалась под гнётом Церкви. Её считали атрибутом колдовства и проявлением дьявольщины. Тем не менее, она продолжала существовать. На рубеже XVI-XVII Ван-Гельмонт описал эксперимент, в котором ему удалось из грязного белья и пшеницы, помещённых в тёмный шкаф, получить мышей. Активным началом зарождения мыши Ван Гельмонт считал человеческий пот. В конце XVII века итальянцем Франческо Реди был проведён более строгий эксперимент: в сосуды было помещено мясо, рыба, змеи, часть сосудов была запечатана, часть оставалась открытой. Выяснилось, что в запечатанных сосудах никакого зарождения не произошло, в открытых же завелись личинки мух. Из этого Реди был сделан вывод о возникновении живого только из предсуществующей жизни.
В 1765 году Ладзардо Спалланцани подвергнул мясные и овощные отвары кипячению и сразу же запечатал их. Через несколько дней он исследовал отвары и не обнаружил никаких признаков жизни. Из этого он заключил, что высокая температура уничтожила всё живое и ничего нового уже не могло возникнуть. Окончательно теория самозарождения была повержена в опытах Луи Пастера, доказавшего справедливость теории биогенеза, т.е. происхождения жизни из предшествующей жизни. Правда, это вызвало затруднительный вопрос о происхождении самого первого живого организма.
Теория креационизма. Согласно этой теории, жизнь возникла в результате некоего сверхъестественного события в прошлом, что чаще всего означает божественное творение. В 1650 году ирландский епископ Ашер рассчитал, что Земля возникла в октябре 4004 года до н.э. Существует множество других подобных «вычислений».
Теория панспермии. Данная теория не предлагает никакого механизма возникновения жизни, просто выдвигая постулат о внеземном её происхождении. Утверждается, что жизнь могла возникать неоднократно в различное время и в разных местах вселенной. При изучении метеоритных материалов действительно были обнаружены некоторые вещества – предшественники живого, а также структуры, похожие на простейшие микроорганизмы. Вероятно, они могли сыграть свою роль в зарождении или разнообразии земной жизни.
Теория биохимической эволюции. Исторически эта теория связывается с именем замечательного русского ученого А.И. Опарина, высказавшего мнение, что в условиях первичной атмосферы Земли, значительно отличающейся от нынешней, мог происходить синтез всех необходимых для зарождения жизни веществ-предшественников. Считается, что первичная атмосфера состояла преимущественно из аммиака, воды, метана, окиси и двуокиси углерода. Отсутствие кислорода придавало ей восстановительные свойства. В таких условиях органические вещества могли создаваться гораздо проще и могли сохраняться, не претерпевая распада длительное время. Опарин полагал, что сложные вещества могли синтезироваться из более простых в условиях океана. Необходимая для реакций энергия приносилась солнечной радиацией, т.к. защитного озонового экрана ещё не существовало; также синтез имел место в условиях грозовых разрядов. Разнообразие находившихся в океане простых соединений и большие масштабы времени позволяют предположить возможность накопления в океане большого количества органики, образовавшей «первичный бульон», в котором могла зародиться жизнь.
Зарождение жизни в потоках энергии и химических веществ по Опарину-Холдейну
Блестящее подтверждение эта теория нашла в экспериментах Стэнли Миллера, проведенных в 1953 году: через смесь газов, моделирующую первичную атмосферу, пропускались мощные электроразряды. В результате удалось синтезировать ряд аминокислот, аденин, рибозу, другие простые сахара … . В схожем опыте Орджелом были получены короткие нуклеиновые кислоты (олигонуклеотиды). В результате этих исследований стало понятно, что основные органические вещества-мономеры, необходимые для возникновения полимерных молекул НК и белков, действительно могли быть химически получены в условиях пребиотического мира, т.е. мира, ещё лишённого жизни. Но главный вопрос – механизм перехода от неживого к живому – теория Опарина всё же оставляет открытым. Предполагается, это выглядело следующим образом. Главная роль принадлежала белкам – они образовывали коллоидные гидрофильные комплексы с молекулами окружающей их воды. Эти комплексы формировали своеобразные мицеллы. Слияние таких комплексов друг с другом приводило к их отделению от водной среды, что получило название коацервации. Капли-коацерваты могли обмениваться веществами с окружающей средой и накапливать различные соединения. Различие состава коацерватов открывало возможности для биохимического естественного отбора. В самих каплях происходили дальнейшие химические превращения попавших туда веществ. На границе капель с внешней средой выстраивались молекулы жиров (липиды), образуя примитивную мембрану, повышающую стабильность всей системы. При включении в коацерват или при образовании внутри него первой молекулы, способной к самовоспроизведению тем или иным путём, появлялась первая клеткоподобная структура. Рост размеров коацерватов и их деление, ещё статистическое, могло привести к образованию идентичных копий коацерватов. Они также поглощали компоненты окружающей среды и процесс продолжался. Таким путём мог возникнуть первый гетеротрофный организм, использовавший для питания органические вещества «первичного бульона».
Отмечая малую вероятность протекания всех этих процессов в таком сложном и целенаправленном порядке, Фред Хойл сказал, что теория эта «столь же нелепа, как и предположение о возможности сборки «Боинга 747» ураганом, пронёсшимся над мусорной свалкой». Действительно, события эти маловероятны, если рассматривать их в отрыве друг от друга и считать взаимно независимыми. Однако последние исследования показывают, что этот подход не является правильным, и в сложных полимолекулярных системах многие процессы синергетически детерминированы. В этом случае образование живого организма становится неизбежным, после прохождения определённого этапа.