Происхождение жизни на Земле. История развития

Гипотезы происхождения жизни на Земле

Вопрос о возникновении и развитии жизни на нашей планете является одной из центральных проблем естествознания. Два основных подхода к ответу на этот вопрос сформировались еще в глубокой древности. Теологи и философы-идеалисты связывали возникновение жизни с божественным, творческим актом. Такой подход лежит в основе концепции креационизма, которая находится вне сферы естествознания и науки в целом. Философы-материалисты рассматривают происхождение жизни как естественный закономерный процесс в развитии материи. В то же время с античных времен до наших дней учеными выдвигались самые разные гипотезы происхождения жизни на Земле. Остановимся на четырех наиболее распространенных группах гипотез, в той или иной степени актуальных и сегодня.

С глубокой древности существует гипотеза самопроизвольного зарождения жизни. Суть этой гипотезы заключается в том, что жизнь возникла и продолжает возникать многократно из неживого вещества. Среди античных мыслителей этой гипотезы придерживался Аристотель, научные концепции которого в области биологических знаний сохранялись незыблемыми на протяжении двух тысячелетий. Согласно развиваемым им представлениям, живые организмы могут возникать не только в результате размножения, но и образовываться из неживого вещества под действием сил природы (солнечный свет, влага). Эта гипотеза оказалась весьма живучей, многие ученые разных эпох дополняли ее новыми «фактами», «наблюдениями», «экспериментами» и собственной аргументацией. Так, вполне серьезно и обстоятельно, ученые XVI -XVII вв. описывали «экспериментальное» создание «червей из куска гниющего мяса» или разведение мышей в горшке, куда предварительно закладывалось тряпье и горсть размоченного зерна.

Первый серьезный удар по гипотезе самозарождения был произведен строгими наблюдениями и очевидными экспериментами итальянского врача и биолога Ф. Реди (1688 г.). Им было установлено, что черви, возникающие на гниющих кусках мяса или рыбы, - ничто иное, как личинки мух, развивающиеся из отложенных взрослыми насекомыми яичек. На основании этих и других своих исследований Ф. Реди сформулировал концепцию биогенеза, суть которой можно выразить весьма лаконично: «все живое от живого». Работы Ф. Реди существенно подорвали популярность гипотезы самозарождения, но уже век спустя она вновь занимает умы ученого мира.

В XVIII веке перед исследователями открылся новый мир живых существ - микроорганизмов. Открытие многообразных микроскопических существ при несовершенстве оптических приборов (микроскопов) и достаточно примитивной технике экспериментов явилось стимулом для «реанимации» гипотезы самозарождения. Новые адепты этой гипотезы сообщают массу «фактов» и «экспериментальных доказательств» возникновения живых микроорганизмов из неживых субстратов. Более века тянулась дискуссия по этому поводу, начиная с блестящих работ Л. Спалланцани (1765 г.), опровергавшего самозарождение микроорганизмов в питательных бульонах при условии кипячения и герметизации сосудов, их заключающих (процедурах, убивающих «споры» и препятствующих их проникновению извне). Окончательно гипотеза самозарождения было опровергнута только в 1862 году Л. Пастером. В результате проведенной им серии экспериментов (отчасти основанных на методах Л. Спалланцани, отчасти разработанных вновь), Л. Пастер убедительно доказал, что развитие бактерий на каких-либо субстратах может происходить лишь при попадании этих микроскопических организмов или их спор извне («Все живое от живого!»).

Утверждая идею биогенеза, Л. Пастер прекрасно осознавал неразрывную связь неживой и живой природы. По его представлениям, жизнь возникла когда-то на нашей планете из неживой природы. Но это было однократным событием, обусловленным уникальным сочетанием условий, различных факторов, определивших возникновение жизни.  Появление каких-либо организмов на Земле вторично (и неоднократно), при наличии уже существующих разнообразных жизненных форм, невозможно. Во-первых, потому, что синтез органических веществ из неорганических возможет лишь при весьма специфических условиях, о которых речь пойдет ниже. Во-вторых, если бы эти органические «тела» возникли сегодня, то они тут же «пожирались» бы существующими организмами.

Таким образом, развенчание гипотезы самопроизвольного зарождения жизни и утверждение биогенеза явилось важным достижением науки XIX века. Однако ответа на вопрос - существует ли жизнь вечно или когда-то произошло ее возникновение - в результате противоборства этих концепций получено не было.

Согласно гипотезе стационарного состояния, жизнь существует вечно так же, как вечно существует Земля. Эта гипотеза представляется мало продуктивной, т.к. сближается, с одной стороны, с креационизмом, а с другой - с рассматриваемой ниже гипотезой панспермии. Аргументация сторонников гипотезы стационарного состояния противоречит геологической и палеонтологической летописи нашей планеты, данным космогонии и других наук.

Гипотеза панспермии выдвигает идею о том, что «семена» жизни были занесены на нашу планету извне, из космоса, с метеоритами и космической пылью. Эта гипотеза опирается на данные, свидетельствующие о высокой устойчивости некоторых микроорганизмов (особенно их спор) к высоким и низким температурам, вакууму, радиации и другим воздействиям. Основанием для таких предположений (о существовании живых форм в космосе) служат находки предшественников сложных органических веществ - синильной кислоты, формальдегида и других, которые были обнаружены в космическом пространстве спектроскопическими методами. Всего найдено около 20 органических соединений. Однако до сих пор нет достоверных фактов обнаружения подобных веществ в материале метеоритов, упавших на поверхность Земли.

Наиболее разработанной, аргументированной, имеющей широкое признание в настоящее время является гипотеза происхождения жизни путем биохимической эволюции, выдвинутая в первой четверти XX века российским ученым академиком А.И. Опариным и английским ученым Холдейном (гипотеза Опарина-Холдейна).

Основные этапы биохимической эволюции

Палеонтологические данные доказывают, что жизнь на Земле зародилась в археозойской эре 3,1 - 3,8 млрд лет назад. Физико-химические условия на планете Земля были в то время совершенно другими, чем сейчас. Прежде всего, в атмосфере практически отсутствовал свободный кислород, его количество составляло тогда не более 0,001 от современного содержания. Эта первичная атмосфера имела восстановительный характер и состояла в основном из водорода, азота, углекислого газа, аммиака, метана, паров воды, аргона и других газов. Такая бескислородная атмосфера не способна защитить от губительного действия жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, поэтому любые проявления жизни могли иметь место только в водоемах на глубине порядка 10 - 50 м.

Согласно существующим представлениям в рамках гипотезы Опарина-Холдейна, можно выделить пять основных этапов на пути к возникновению жизни, которые приведены в таблице 1.

Современные представления о формировании и составе первичной атмосферы Земли базируются на объективных данных разных наук, на изучении газовых оболочек других планет Солнечной системы. 

Таблица 1.

Весьма убедительные доказательства возможности осуществления 2-го и 3-го этапов развития жизни получены в ходе многочисленных экспериментов по моделированию условий абиогенного синтеза биологических мономеров. Так, впервые в 1953 г. С. Миллер создал достаточно простую установку (так называемый биотрон), в которой ему удалось из смеси газов и паров воды под действием ультрафиолетового облучения и электрических разрядов синтезировать ряд аминокислот. В последующие десятилетия во многих лабораториях мира осуществлен искусственный синтез разных аминокислот, нуклеотидов, простых сахаров, а затем и более сложных органических соединений, в том числе - короткие полинуклеотидные цепочки, полипептиды, полисахариды.

Переход от химической эволюции к биологической на уровне первичной клеточной структуры является центральным вопросом в разработке настоящей гипотезы. Согласно представлениям А.И. Опарина, 3-й этап завершается возникновением коацерватов - поверхностно обособленных гелевых структур сферической формы. Работая с искусственно созданными коацерватами (при растворении белков и других органических веществ) Опарин наблюдал способность коацерватов избирательно адсорбировать вещества из окружающего раствора («питаться») и за счет этого увеличиваться в размерах («расти»). При достижении определенных размеров коацерваты распадались («размножение»). Одни из коацерватов характеризовались большей устойчивостью и сохранялись длительное время, другие - быстро распадались и исчезали. Эти наблюдения дали А.И. Опарину основание предположить возможность действия естественного отбора (сохранение одних форм и элиминация других) уже на этой стадии становления живого - изменения в структуре коацерватов закреплялись благодаря отбору. Коацерваты, при всей сложности их организации, тем не менее не могут считаться живыми органами прежде всего потому, что у них нет стабильного самовоспроизведения, жесткой структурной организации, функционального взаимодействия между белками и нуклеиновыми кислотами.

Появление таких истинно живых систем – протобионтов -  происходило на следующем, 4-м этапе развития жизни. У этих протобионтов появляется корреляция между нуклеиновыми кислотами и белками; способность синтезировать белки определенного строения в соответствии с информацией, заключенной в нуклеиновой кислоте. Одновременно у них совершенствуется поверхностный аппарат, обеспечивающий упорядоченность обмена веществ, поддержание стабильности системы. И, главное, они приобретают способность к самовоспроизведению.

Структурное усложнение и функциональное совершенствование протобионтов привело к появлению организмов, имеющих клеточную организацию - первичных прокариотных организмов - бактерий. С этого момента начинает осуществляться биологическая эволюция организмов.

 По современным представлениям первоначально существовали лишь гетеротрофные бактерии. По мере возрастания их числа происходило уменьшение пищевых ресурсов, между ними возрастала конкуренция, что способствовало появлению автотрофов, организмов, способных синтезировать органические вещества из неорганических, используя энергию солнечного света (фотосинтетики) или энергию, полученную в результате окисления минеральных веществ (хемосинтетики).

Дальнейшая биологическая эволюция обусловила формирование того многообразного мира живой природы, который мы и видим сегодня.

«Эволюционный взрыв» в начале кембрия

Археозойская и протерозойская эры геологической истории Земли оставили чрезвычайно мало ископаемых остатков организмов, поэтому обе эти эры называют этапом скрытой жизни иликриптозоем. Наиболее важными событиями в криптозое стали появление прокариотных одноклеточных организмов, способных к фотосинтезу, переход к эукариотному уровню организации клетки и возникновение многоклеточных организмов. И вот после «немых» осадочных пород криптозоя в кремнистых сланцах, соответствующих началу кембрийского периода (около 570 млн лет назад) внезапно появляется огромное разнообразие и обилие остатков ископаемых организмов. Среди них и низшие многоклеточные (губки, кишечнополостные), и высокоразвитые типы животных (плеченогие, моллюски, членистоногие и др.). В осадочных породах позднего кембрия находят почти все известные типы многоклеточных животных. Этот взрыв формообразования в начале кембрийского периода - одно из самых загадочных событий в геологической истории Земли. Благодаря этому криптозой часто называют докембрием, а всю последующую историю Земли - этапом явной, наблюдаемой жизни или фанерозоем.

Что же привело к этому «эволюционному взрыву»? Некоторые ученые считают, что он был обусловлен катастрофическими изменениями внешних условий, например, повышением уровня жесткой космической радиации в результате взрыва Сверхновой звезды на близком расстоянии от Солнца. Это привело к резкому усилению мутационных процессов и, как следствие, возникновению новых организменных форм. Однако, такая концепция не выдерживает критики, так как эволюционные изменения обычно порождаются малыми мутационными сдвигами, а сильные мутации, как правило, летальны. Вообще к «катастрофическим» объяснениям эволюционных явлений, особенно опирающимся на такие космические аномалии, как взрывы и столкновения, следует относиться очень осторожно, предпочитая им концепции, основанные на анализе конкретных земных факторов.

Одна из таких концепций, выдвинутая в 60-е годы XX века (Л. Беркнер и Л. Маршалл), связывает «эволюционный взрыв» в начале кембрия с изменением содержания свободного кислорода в земной атмосфере. Как уже отмечалось выше, зарождение жизни произошло в бескислородной атмосфере. Необходимую энергию для протекания жизненных процессов организмы получали тогда в результате анаэробной диссимиляции (брожения)

С₆Н₁₂О₆  ->  2СН₃СН₂СН + 2СО₂ + 210 кДж/моль.

Эта химическая реакция в 14 раз энергетически менее эффективна, чем аэробная диссимиляция (дыхание)

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂  ->  6СО₂ + 6Н₂О + 2870 кДж/моль.

Но для этой реакции требуется свободный кислород, которого тогда в атмосфере не было. Он стал накапливаться, когда в синезеленых водорослях начался процесс фотосинтеза. Около 600 млн лет назад содержание свободного кислорода в атмосфере достигло 0,01 от современного (так называемая точка Пастера). Именно с этого момента дыхание становится основным источником энергии организмов, что резко интенсифицирует метаболизм и все жизненные процессы. Это и явилось предпосылкой к ускорению эволюционных преобразований.

Кроме того, при содержании кислорода в атмосфере 0,01 от современного начал формироваться озоновый экран, который защищал от жесткой ультрафиолетовой радиации сначала верхние слои водоемов, а затем и сушу, где условия для повышения разнообразия форм становятся более благоприятными, чем в глубинах океана.

Все это и привело к тому, что в течение всего 15 млн лет кембрийского периода в палеонтологической летописи Земли появились представители почти всех известных типов организмов.

Биологическое многообразие живых организмов и его роль в организации и сохранении устойчивости биосферы

За период, охватывающий около 3 млрд. лет, на Земле в результате биологической эволюции возникали все новые и новые разнообразные виды живых организмов (процесс видообразования продолжается и сегодня). В жесткой борьбе за существование многие из них исчезли безвозвратно, другие подвергались эволюционным изменениям и давали начало видам, их сменяющим, многие виды сохранились до наших дней. Сегодня живой мир нашей планеты «бесконечно» разнообразен и включает огромное число видов, что видно из таблицы 13.2.

Сегодня хорошо известно, что стабильность существования биосферы как экологической системы планетарного масштаба, зависит именно от многообразия видов живых организмов, ее составляющих. Все виды организмов находятся в прямой или косвенной взаимосвязи друг с другом (трофические, тропические и т.п.). На основании изучения естественных экологических систем с небольшим числом видов, их составляющих, (например: пещерные экосистемы, тундровые), а также искусственных (агробиогеоценозы, лабораторные экспериментальные экосистемы)

Таблица 13.2

убедительно показана нестабильность таких систем, их уязвимость. Так изъятие, гибель даже одного вида может повлечь сильное повреждение и гибель данной системы.