Глава XII. Происхождение жизни на земле

ИДЕАЛИСТИЧЕСКИЕ И МЕТАФИЗИЧЕСКИЕ ТЕОРИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ

Проблема возникновения живого, т. е. происхождения жизни, являлась основной, центральной для естествознания на всех этапах его развития. В решении этой проблемы особенно четко размежевывались идеалисти­ческие и материалистические воззрения.

На протяжении нескольких столетий господствующие идеалистические мировоззрения определяли как признание возникновения жизни в ре­зультате акта творения, так и теории вечности жизни, согласно которым она не возникала на Земле. В то же время еще в древнем мире и в средние века высказывались предположения о возможности возникно­вения живых существ, даже весьма высокоорганизованных, непосред­ственно и сразу из неживого.

Учение о самозарождении живого

В средние века существовало убеждение, что мыши, лягушки, рыбы, на­секомые могут возникать из ила. Рассказывались легенды о зарожде­нии гусей и уток из морских раковин, а рыб и птиц—из плодов де­ревьев.

В XVI—XVII веках в полном соответствии с господствовавшими пред­ставлениями давались рецепты искусственного получения мышей из сле­жавшихся зерен и грязного белья и признавалось возможным получение искусственного человека (гомункулюса) из спермы и крови, помещен­ных в тыкву.

В XVII столетии итальянский естествоиспытатель врач Франческо Реди простым и остроумным способом впервые доказал, что животные, не только позвоночные, но и беспозвоночные, например мухи, могут происходить лишь от себе подобных. Однако после открытия микроскопи­ческих организмов теория самопроизвольного зарождения была снова извлечена из-под спуда. Стали утверждать, что микроорганизмы, напри­мер бактерии, могут зарождаться в питательных средах.

Лишь в 1861 г. французский ученый Луи Пастер (1822—1895) доказал невозможность самопроизвольного зарождения живого. Им было пока­зано, что не гниение и брожение жидкостей порождают микроскопиче­ские существа, а, наоборот, гниение и брожение начинаются лишь там, куда проникли микроорганизмы, вызывающие эти процессы. Он выяснил, что споры и цисты бактерий и простейших весьма многочисленны в ок­ружающем воздухе, откуда они и попадают на питательные среды. Если в питательном бульоне кипячением убить зародышей, а воздух в сосуд пропускать через раскаленную металлическую трубку, то бульон не за­гнивает. Тот же результат достигается в тех случаях, когда воздух, про­никающий в сосуд, фильтруют через ватный тампон или вводят через горлышко, изогнутое в виде лебединой шеи. На стенках горлыш­ка оседают микроорганизмы и их споры, а жидкость остается стериль­ной.

Открытие Пастера нашло прямое практическое применение и способ­ствовало развитию консервной промышленности. В промышленности и медицине сразу после исследований Пастера стали применять стери­лизацию, под которой понимаются различные физические и химиче­ские методы уничтожения микроорганизмов. Исследования Пастера сыграли решающую роль во всем дальнейшем развитии медицины, в ча­стности легли в основу асептики и антисептики в хирургии. Работы Па­стера убедительно показывали невозможность зарождения существую­щих форм жизни из неживого. Однако идеалисты сделали из опытов этого ученого вывод, которого сам Пастер не делал. Невозможность самопроизвольного зарождения истолковывалась ими так, что живое вообще никогда не могло возникнуть из неживого. Утверждалось, что жизнь существует вечно.

Теория вечности жизни

Появление жизни на Земле объяснялось заносом ее зародышей (спор ■бактерий) из других миров. Такие теории получили название панспер­мии (от греч. pan — все и sperma — семя), т. е. «всюду жизнь». Перво­начально предполагалось, что жизнь могла быть занесена метеоритами, но когда было доказано, что метеориты, пролетая через земную атмо­сферу, сильно раскаляются и все зародыши жизни на них "неминуемо погибают, теория панспермии приняла иную форму. С. Аррениус пред­полагал, что споры могли быть занесены на Землю под действием свето­вого давления. Однако дальнейшее изучение спор показало, что пред­ставление об их устойчивости к низким температурам, особенно к дей­ствию ультрафиолета и жестким излучениям, преувеличено.

диалектико-материалистическое решение вопроса 4) происхождении жизни на земле

Итак, самопроизвольное зарождение жизни невозможно. Занос ее из мирового пространства также не может быть осуществлен. Как же по­явилась жизнь на Земле?

Принципиальное диалектико-материалистическое решение этого во­проса было дано Энгельсом, который характеризовал жизнь как одну из форм движения материи, а именно биологическую форму, высшую по •сравнению с более простыми формами — механической, физической и химической. Утверждая взаимосвязь и преемственность форм движения материи, Энгельс показал, что развитие живого из неживого является естественной закономерностью. Жизнь возникла из неживого в процессе эволюции нашей планеты на определенном этапе ее существования. Основным субстратом живого на Земле является белок. Современные научные теории происхождения жизни исходят из признания и разви­тия этих основных положений.

Дискуссии по вопросу о происхождении жизни на Земле идут в на­стоящее время в направлении теоретического обоснования и эксперимен­тальных доказательств возможности абиогенного происхождения орга­нических веществ, в направлении. определения этапов эволюции и ус­ложнения организации первичных белковых тел, в результате которых возникли такие кардинальные свойства жизни, как способность к само­обновлению, репликации и передаче информации.

Значительным вкладом в решение проблемы происхождения жизни являются труды советского биолога А. И. Опарина.

Основные положения этой теории с учетом изменений последних лет •в соответствии с новейшими данными изложены ниже.

В становлении жизни на Земле можно различить четыре этапа.

Первый этап заключался в образовании из неорганических ве­ществ, т. е. абиогенно, и накоплении простейших органических соедине­ний, главным образом углеводородов. Еще в 1922 г. А. И. Опари­ным была высказана мысль,, что все изложенные выше трудности и про­тиворечия в вопросе о возможности появления органических веществ только в результате деятельности организмов являются несостоятель" ными.

Спектроскопическое изучение звездных атмосфер показало присутст­вие в так называемых холодных звездах, к которым относится и Солнце, значительной части углерода, связанного с водородом, с образованием простейшего углеводорода — метина (СН) Не исключено, что наряду ■с метином в этих звездах присутствуют и более сложные углеводород­ные соединения. Между тем не вызывает сомнений, что эти соедине­ния образуются абиогенно, т. е. не за счет деятельности живых орга­низмов.

Широкое распространение углеводородов обнаружено и в тех местах Вселенной, где температура близка к абсолютному нулю. Несомненно присутствие метана в атмосфере Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и других планет, причем в больших количествах.

Наличие довольно сложных углеводородов обнаружено и в ряде ме­теоритов, в которых не удалось установить никаких следов пребывания живых существ.

Наконец, синтез углеводородов может быть осуществлен в экспери­менте при наличии комплекса определенных физических и химических условий (температура, давление, электрическое поле и др.).

Таким образом, абиогенное образование органических соединений, углеводородов не только возможно, но и широко распространено во Все­ленной. Поэтому вполне логично предположить, что Земля уже на самых начальных этапах своего существования обладала определенным коли­чеством углеводородов. Кроме того, есть все основания думать, что в состав земной атмосферы в то время входили аммиак и циан, каждый из которых содержит азот, необходимый для образования важнейших биологических веществ. В состав циана входит также углерод.

Второй этап состоял в дальнейших превращениях органических веществ, в образовании абиогенным путем более сложных и разнообраз­ных органических соединений. Эти превращения происходили в среде, содержавшей очень мало кислорода. В атмосфере преобладали водород, метан, аммиак и пары воды. Со временем состав газов, окружавших Землю, менялся. Под влиянием солнечного света, главным образом его ультрафиолетового спектра, вода разлагалась на кислород и водород. Последний из-за своего малого веса слабо удерживался Землей и улетал в мировое пространство. Кислород окислял аммиак до молекулярного азота, а углеводы — до спиртов, альдегидов, кетонов и органических кис­лот. В земной атмосфере очень долго преобладали, по-видимому, вос­становительные процессы, так как кислород быстро вступал во взаимо­действия с разными веществами, особенно с металлами, и потому не накапливался в свободном состоянии.

Очевидно, различные химические превращения были возможны не только благодаря энергии ультрафиолетового излучения. В этих процес- сах использовались тепловая энергия, возникавшая в центре Земли в ре- зультате огромного давления вышележащих слоев, энергия электриче- ских разрядов, радиоактивного распада. ■

Образующиеся соединения не разрушались вследствие их летучести. Покидая верхние слои земной коры, они попадали во влажную холодную атмосферу, что предохраняло их от разрушения. В дальнейшем эти ве­щества вместе с дождями выпадали в моря, океаны и другие водные бассейны. Накапливаясь здесь, они вновь вступали в реакции, в резуль­тате чего возникали более сложные вещества. Для того чтобы те или иные растворенные вещества вступали между собой в реакции, нужна достаточная концентрация их в растворе. По современным данным, на тех этапах эволюции нашей планеты в водных бассейнах было собрано примерно в 10 раз меньше воды, чем теперь. Отсюда, по расчетам аме­риканского исследователя Юри, «если только половина существующего сейчас на поверхности Земли углерода находилась в виде растворимых органических веществ, то и тогда первичный океан представлял собой десятипроцентный раствор этих веществ. В отдельных же местах кон­центрация должна была возрастать в результате испарения воды»

Важное значение имела, по-видимому, адсорбция веществ на поверх­ности глин и других неорганических осадков в качестве фактора, повы­шающего концентрацию реагирующих веществ в той части раствора, ко­торая не находится в непосредственной близости от адсорбирующей по­верхности.

В результате описанных процессов в водах первородного океана по­степенно накапливались все более сложные органические вещества, все больше их строение приближалось к строению соединений, входящих в состав живых организмов. Так возникали полимерные соединения, по­добные углеводам, жирам, белкам, нуклеиновым кислотам и АТФ. Пра­вомерность подобных представлений основана на многочисленных совре­менных экспериментальных данных. Так, С. Миллер (1953, 1957), про­пуская электрические разряды через смесь аммиака, метана, водорода и паров воды, получил ряд аминокислот, альдегидов, молочную, уксус­ную и другие кислоты.

Индийскому исследователю К. Бахадуру (1954) удалось на прямом-солнечном свете из параформальдегида и азотнокислого калия в присут­ствии хлорного железа синтезировать различные аминокислоты.

Одновременно в 50-х годах XX века в ряде лабораторий был осуще­ствлен искусственный синтез органических соединений. В различных ла­бораториях абиогенным путем синтезированы аденин, гуанин, пирими­дин, рибоза и дезоксирибоза, аденозиндифосфат и аденозинтрифосфат. Из смеси пуринов, пиримидинов, простых Сахаров и неорганических фос­форсодержащих соединений, подвергнутых воздействию температуры в 55—60°, давлению и электрическим разрядам, т. е. имитации тех усло­вий, которые, по-видимому, существовали на заре возникновения жизни, удалось получить полисахариды и полинуклеотиды.

Есть все основания считать, что на определенном этапе развития Земли океан представлял собой своего рода «питательный бульон». В та­ком «бульоне» и возникли первые живые организмы, питающиеся гетеро-трофно готовыми органическими веществами.

Третий этап, по мнению А. И. Опарина, характеризовался выде­лением в первичном «питательном бульоне» особых коацерватных капель, представляющих собой группы полимерных соединений. Явле­ние коацервации само по себе известно широко и может происходить при низких концентрациях растворенного вещества. Примеры коацерватов — раствор желатины в воде, смесь растворов желатины и гуммиарабика и др.

Коацерватные капли обладают некоторыми свойствами, характерным» и для живой протоплазмы: можно говорить о наличии некоторой упо­рядоченности коллоидных частиц в такой капле, особенно при различи» их электрических зарядов, о способности коацерватов избирательно адсорбировать вещества из окружающего раствора и за счет этого «ра­сти», увеличивать свои размеры.

Цнт. по книге а. И. Опарина «Происхождение жизнн на Земле».

По мнению А. И. Опарина, В первичном океане миллиарды лет назад ■шло формирование, коацервация полимерных соединений в группы, кап­ли, шло обособление их в растворе в самостоятельные системы, осуществляющие обмен с окружающими их растворенными в воде ве­ществами.

Благодаря тому что концентрация веществ в коацерватных каплях была в десятки раз больше, чем в окружающем растворе, возможность взаимодействия между отдельными молекулами значительно возрастала. Известно, что молекулы многих веществ, в частности полипептидов и жиров, состоят из частей, обладающих разным сродством к воде. Более «водолюбимые», так называемые гидрофильные, части молекул,,распо­ложенные на границе между коацерватами и раствором, поворачиваются в сторону раствора, где содержание воды больше. Водоотталкивающие, так называемые гидрофобные, части ориентируются внутрь коацерватов, где концентрация воды меньше.

В результате поверхность коацерватов приобретает определенную структуру и в связи с этим свойство пропускать в определенном направ­лении одни вещества и не пропускать другие. Такая избирательная спо­собность является^ характерным признаком любой живой клетки.

Благодаря этому свойству концентрация некоторых веществ внутри коацерватов еще более возрастает, концентрация других соединений уменьшается и реакции между компонентами коацерватов приобретают определенную направленность.

Таким образом, все перечисленные особенности коацерватов обеспе­чивали возможность осуществления в них разнообразных и быстро про­текающих (по сравнению со скоростью, имевшей место в растворе) реакций. Коацерватные капли становились системами, обособленными от среды, обладавшими полимолекулярными индивидуал ьными свойствами. Одни из них оказывались более устойчивыми, другие — менее резистентными в отношении воздействия окружающих условий. •Одни из них гибли, исчезали, другие сохранялись дольше. Даже в этой стадии становления живого проявлялась общая закономерность — есте­ственный отбор, т. е. сохранение одних форм и элиминация других.

Так изменения в структуре коацерватов закреплялись благодаря отбору.

Важным шагом в развитии многомолекулярных систем явилось воз­никновение упорядоченности, определенной последовательности реакций, в них протекавших. Возникла сетка реакций, определенная организация во времени и пространстве, характерная для каждой индивидуальной си­стемы. При дроблении коацерватов эти характерные особенности насле­довались.

Параллельно усовершенствованию характера метаболизма происхо­дило упорядочение структуры: образовалась мембрана. Это послужило предпосылкой образования линейных нитчатых структур, способных к са­мовоспроизведению, репликации, изменчивости. Этим характеризовался, •по-видимому, четвертый этап становления жизни.

Ни один из этапов развития неживой материи в живую не был отделен резкой границей от предыдущего или последующего этапа. Каждый шаг в этом развитии осуществлялся постепенно, через множество как отверг­нутых «неудачных» комбинаций, так и наследственно закрепленных, соот­ветствующих условиям жизни.

Естественно, что первые живые организмы обладали чрезвычайно при­митивной организацией.

Одним из проявлений развивающейся упорядоченности, согласованно­сти в реакциях явилось, по-видимому, постепенное возникновение той корреляции между структурой нуклеиновых кислот и белков, которую мы видим в современной клетке. В результате возник современный ме­ханизм синтеза белка и передачи наследственной информации.

Первые обитатели нашей планеты были гетеротрофами и питались за счет органических веществ, растворенных в первородном океане.

Прогрессивное развитие первичных живых организмов обеспечило в дальнейшем такой огромный скачок в развитии жизни, как возникно­вение аутотрофов, использующих солнечную энергию для синтеза орга­нических соединений из простейших неорганических. Разумеется, не сразу возникло такое сложное соединение, как хлорофилл.

Со временем в первородном океане стали иссякать органические ве­щества, накопившиеся в нем абиогенным путем. Появление аутотрофных организмов, в первую очередь зеленых растений, обеспечило дальнейший непрерывный синтез органических веществ, а следовательно, существо­вание и дальнейшее развитие жизни.

Такова в общих чертах история становления жизни. _

ЖИЗНЬ КАК КОСМИЧЕСКОЕ ЯВЛЕНИЕ.

Можно полагать, что жизнь возникает во Вселенной всегда, когда пла­неты достигают определенного развития и на них создаются условия для перехода химической формы движения в биологическую. Поиски» живой материи в космическом пространстве и изучение ее особенностей составляют задачу одного из наиболее молодых разделов биологии—' экзоби ологии.

Поиски жизни вне Земли в первую очередь опираются на знания усло­вий, необходимых для земной жизни. Они впервые наиболее полно иссле­дованы В. И. Вернадским в его учении о биосфере (1926). Есть все осно­вания считать, что жизнь организмов, построенных из соединений, в ос­нове которых находится углерод, возможна при колебаниях температуры в пределах от +80° до —70°. Это дает основание предполагать в нашей Солнечной системе существование жизни на Марсе. Сезонные изменения окраски на Марсе некоторые астрономы упорно связывают с наличием--растительных форм жизни. Разумеется, окончательно этот вопрос смо­жет быть решен только после проникновения специальной космической! аппаратуры на исследуемую планету.

А. И. Опарин и В. Г. Фесенко (1956) в книге «Жизнь во Вселенной» обсуждают вопрос о том, каким условиям должно отвечать небесное тело для того, чтобы на нем могла возникнуть жизнь. Они указывают, что та­ким телом может быть только планета, которая должна: 1) получать от своей звезды некоторое постоянное количество радиации, что может быть только у планеты, имеющей орбиту, близкую к кривой; 2) находиться на« таком расстоянии от звезды, которое обеспечивает на ее поверхности-нужную для жизни температуру; 3) иметь определенные размеры, нуж­ные для удержания атмосферы такого химического состава, который не­обходим для поддержания жизни; 4) иметь возраст, достаточно большой для того, чтобы в коре планеты произошла необходимая миграция золь­ных элементов и образовались сложные органические вещества.

Исходя из тех требований, которые предъявляются к обитаемой пла­нете, авторы заключают, «что вероятность наличия жизни в окрестностях какой-либо звезды, взятой наугад в нашей Галактике, составит примерно около одной стотысячной или даже одной миллионной. Следовательно, только в одном случае из миллиона пересмотренных наугад звезд можно рассчитывать обнаружить планету, где жизнь находится на той или иной .ступени своего развития.

Таким образом, в противоположность идеализму, декларирующему примат духа над материей, утверждающему, что цель мироздания это создание мыслящих существ, мы приходим к выводу, что материя в своем развитии идет многообразными путями, и далеко не всегда и не везде в результате этого развития должна возникать жизнь, как одна из возможных сложных и совершенных форм движения материи. Напро-

тив, на бесчисленном множестве небесных тел нет жизни, многие из этих тел никогда и не будут ею обладать в течение всего своего разви­тия, так как оно здесь идет совершенно иными путями, чем на нашей планете.

Но из этого совершенно не следует, что только Земля является един-, ственным обиталищем жизни. В нашей метагалактической системе имеются сотни миллионов галактик, и каждая отдельная галактика мо­жет состоять из миллиардов и сотен миллиардов звезд. Даже в нашей Галактике, включающей примерно 150 миллиардов звезд, могут быть сотни тысяч планет, на которых возможно возникновение и развитие жизни. Во всей бесконечной Вселенной должно существовать также и бесконечное множество обитаемых планет».

Те же расчеты допускают возможность существования на некоторых из них разумной жизни.

_!