Происхождение жизни на Земле - Реферат

Вот основные теории, связанные с моделью развития Вселенной: 1) жизнь была создана Творцом в определенное время - креационизм; 2) жизнь возникла самопроизвольно из неживого вещества; 3) жизнь существовала всегда; 4) жизнь была занесена на Землю из Космоса; 5) жизнь возникла в результате биохимической эволюции. Теория панспермии (гипотеза о возможности переноса Жизни во Вселенной с одного космического тела на другие) не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни и переносит проблему в другое место Вселенной. Либих считал, что «атмосферы небесных тел, а также вращающихся космических туманностей можно считать как вековечные хранилища оживленной формы, как вечные плантации органических зародышей», откуда жизнь рассеивается в виде этих зародышей во Вселенной. У Опарина жизнь возникает на уровне многомерных структур - коагулянты, гели и коацерваты - в «момент выпадения геля или образования первородного студня», и «с некоторыми оговорками мы даже можем считать этот впервые возникший на Земле кусочек органической слизи первичным организмом. В своей книге «Жизнь, ее природа, происхождение и развитие» (1960) Опарин приводит хорошо известный факт, что внутренняя организация паразитов становится проще по мере того, как они становятся «зависимыми от своих хозяев» и адаптируются к этой экологической нише.Современные гипотезы происхождения жизни связаны с образованием в определенных условиях более сложно организованных органических молекул - коагулянтов, гелей и коацерватов. У этих коллоидных образований на поверхности могут происходить процессы, напоминающие метаболизм живых организмов, как считали Опарин и Холдейн. Сопоставление вероятности определенного сочетания 6000 нуклеотидов и времени, необходимого для этого, с временем существования Вселенной указывало на необходимость поиска более быстрых, скачкообразных механизмов образования нужных структур.

Проблема происхождения и эволюции жизни относится к наиболее интересным и в то же время наименее исследованным вопросам, связанным с философией и религией. Практически на протяжении почти всей истории развития научной мысли считалось, что жизнь - явление самозарождающееся. Здесь было много чисто умозрительных рассуждений, теологических и научных.

Вот основные теории, связанные с моделью развития Вселенной: 1) жизнь была создана Творцом в определенное время - креационизм; 2) жизнь возникла самопроизвольно из неживого вещества; 3) жизнь существовала всегда; 4) жизнь была занесена на Землю из Космоса; 5) жизнь возникла в результате биохимической эволюции.

1. Гипотезы о предбиологической стадии живого

Согласно креационизму, возникновение жизни относится к определенному событию в прошлом, которое можно вычислить. В 1650 г. архиепископ Ашер из Ирландии вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н.э., а в 9 часов утра 23 октября и человека. Это число он получил из анализа возрастов и родственных связей всех упоминаемых в Библии лиц. Однако к тому времени на Ближнем Востоке уже была развитая цивилизация, что доказано археологическими изысканиями. Впрочем, вопрос сотворения мира и человека не закрыт, поскольку толковать тексты Библии можно по-разному.

Аристотель на основе сведений о животных, которые поступали от воинов Александра Македонского и купцов-путешественников, сформулировал идею постепенного и непрерывного развития живого из неживого и создал представление о «лестнице природы» применительно к животному миру. Он не сомневался в самозарождении лягушек, мышей и других мелких животных. Платон говорил о самозарождении живых существ из земли в процессе гниения.

В 1688 г. итальянский биолог Франческо Реди серией опытов с открытыми и закрытыми сосудами доказал, что появляющиеся в гниющем мясе белые маленькие черви - это личинки мух, и сформулировал свой принцип: все живое - из живого. В 1860 г. Пастер показал, что бактерии могут быть везде и заражать неживые вещества, для избавления от них необходима стерилизация, получившая название пастеризации.

Сторонники теории вечного существования жизни считают, что на вечно существующей Земле некоторые виды вынуждены были вымереть или резко изменить численность в тех или иных местах планеты изза изменения внешних условий. Четкой концепции на этом пути не выработано, поскольку в палеонтологической летописи Земли есть некоторые разрывы и неясности. С идеей вечного существования жизни во Вселенной связана и следующая группа гипотез.

Теория панспермии (гипотеза о возможности переноса Жизни во Вселенной с одного космического тела на другие) не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни и переносит проблему в другое место Вселенной. Либих считал, что «атмосферы небесных тел, а также вращающихся космических туманностей можно считать как вековечные хранилища оживленной формы, как вечные плантации органических зародышей», откуда жизнь рассеивается в виде этих зародышей во Вселенной.

Подобным образом мыслили Кельвин, Гельмгольц и др. В начале нашего века с идеей радиопанспермии выступил Аррениус. Он описывал, как с населенных другими существами планет уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Они сохраняют свою жизнеспособность, летая в пространстве Вселенной за счет светового давления. Попадая на планету с подходящими условиями для жизни, они начинают новую жизнь на этой планете. Эту гипотезу поддерживали многие, в том числе русские ученые академики Сергей Павлович Костычев (1877-1931), Лев Семенович Берг (1876-1950) и Петр Петрович Лазарев (1878-1942).

Для обоснования панспермии обычно используют наскальные рисунки с изображением предметов, похожих на ракеты или космонавтов, или появления НЛО. Полеты космических аппаратов разрушили веру в существование разумной жизни на планетах солнечной системы, которая появилась после открытия Скиапарелли каналов на Марсе (1877).

Ловелл насчитал на Марсе 700 каналов. Сеть каналов охватывала все материки. В великое противостояние 1924 г. многие каналы были сфотографированы, и большинство ученых увидели в них доказательство существования разумной жизни. Фотоснимки 500 каналов зафиксировали и сезонные изменения цвета, которые подтвердили идеи советского астронома Гавриила Андриановича Тихова (1875-1960) о растительности на Марсе, поскольку озера и каналы имели зеленый цвет. Ценная информация о физических условиях на Марсе была получена советским космическим аппаратом «Марс» и американскими посадочными станциями «Викинг-1» и «Викинг-2». Так, полярные шапки, испытывающие сезонные изменения, оказались состоящими из водяного пара с примесью минеральной пыли и из твердой двуокиси углерода (сухого льда). Но пока следов жизни на Марсе не найдено.

Изучение поверхности с борта искусственных спутников позволило предположить, что каналы и реки Марса могли возникнуть в результате растапливания подповерхностного водяного льда в зонах повышенной активности или внутреннего тепла планеты или при периодических изменениях климата.

В представлениях о зарождении жизни в результате физико-химических процессов важную роль играет эволюция самой планеты. По мнению многих биологов, геологов и физиков, состояние Земли за время ее существования все время изменялось. В очень давние времена Земля была горячей планетой, ее температура достигала 5-8 тысяч градусов. По мере остывания планеты тугоплавкие металлы и углерод конденсировались и образовывали земную кору, которая не была ровной изза активной вулканической деятельности и всевозможных подвижек формирующегося грунта. Согласно гипотезе Опарина (1923), атмосфера первичной Земли сильно отличалась от современной. Легкие газы - водород, гелий, азот, кислород, аргон и другие - не удерживались пока недостаточно плотной планетой, тогда как их более тяжелые соединения оставались (вода, аммиак, двуокись углерода, метан). Вода оставалась в газообразном состоянии, пока температура не упала ниже 100°С.

Химический состав нашей планеты сформировался в результате космической эволюции вещества солнечной системы, в ходе которой возникли определенные пропорции количественных соотношений атомов. Поэтому современные данные о соотношении атомов химических элементов оказываются важными. Космическое обилие кислорода и водорода выразилось в обилии воды и ее многочисленных окислов. Относительно более высокая распространенность углерода явилась одной из причин, определивших большую вероятность возникновения жизни. Обилие кремния, магния и железа способствовало образованию в земной коре и метеоритах силикатов. Источниками сведений о распространенности элементов служат данные о составе Солнца, метеоритов, поверхностей Луны и планет. Возраст метеоритов примерно соответствует возрасту земных пород, поэтому их состав помогает восстановить химический состав Земли в прошлом и выделить изменения, вызванные появлением жизни на Земле.

2. Процессы на ранней Земле и возникновение живого

Современные представления о происхождении жизни восходят к гипотезам Опарина и Холдейна. Согласно оценке К.X. Уоддингтона, «в конце 20-30-х годов были заложены основы точки зрения, согласно которой жизнь рассматривается как явление, естественным образом возникающее из неживой природы. Весьма вероятно, что будущие исследователи истории идей отметят то обстоятельство, что эта точка зрения на проблему происхождения жизни, представляющая собой ни больше, ни меньше как революцию в философском понимании человеком своего собственного места в мире, впервые была разработана коммунистами. Опарин в Москве (1924) и Холдейн в Кембридже (1929) независимо друг от друга утверждали, что последние достижения геохимии… позволяют представить процесс происхождения систем, которые могут быть названы «живыми».

Тогда же в работе Опарина обращалось внимание на то, что организмы состоят из органических соединений, обладающих более сложной структурой, чем те продукты, которые они производят. Поэтому логичнее считать, что некоторые органические соединения по времени предшествовали живым организмам и сыграли важную роль в их происхождении.

В 1956 г. Опарин выпустил небольшую книгу в соавторстве с Фесенковым, в которой они придерживаются идеи Шмидта о том, что Солнце захватило часть пылевого облака во Вселенной, поскольку эта гипотеза оказалась более подходящей для понимания развития солнечной системы. Но общей идеей для всех вариантов теории оставалось необходимое условие возникновения жизни - ее первоначальное отсутствие, причем и сами законы природы претерпевали изменение. С возникновением жизни законы неживой природы сменились биологическими, а с появлением человека возникли законы социальные.

Момент перехода от неживого к живому является решающим с методологической, или философской, точки зрения. У Опарина жизнь возникает на уровне многомерных структур - коагулянты, гели и коацерваты - в «момент выпадения геля или образования первородного студня», и «с некоторыми оговорками мы даже можем считать этот впервые возникший на Земле кусочек органической слизи первичным организмом. В самом деле, он должен был обладать многими из тех свойств, которые в настоящее время рассматриваются как признаки жизни». В работе 1936 г. Опарин дает более полное описание коллоидной фазы возникновения жизни и развития способности к фотосинтезу у предков растительных организмов. Коацерваты уже могут увеличиваться в размерах, делиться на части I и подвергаться химическим изменениям ввиду явлений на границе возможного расслоения. Эти явления на границе раздела у него носят зачатки метаболизма, а переход к живому происходит тогда, когда на смену «соревнованию в скорости роста приходит борьба за существование».

Возникновение и обострение этой борьбы есть результат нехватки запасов «предбиологического» органического материала, которым «питаются» коацерваты. Эта нехватка приводит к существованию различных путей получения пищи, организмы разделяются на автотрофные и гетеротрофные еще до перехода к биологическому уровню развития. При иссякании запасов органического материала вне коацерватов вступали в действие «естественный отбор» и другие биологические факторы, происходил переход к организмам.

Опарин с 1924 г. разрабатывал свою гипотезу происхождения жизни, и многие следовали в этом русле, привлекая все новые и новейшие данные. Эволюционное возникновение живого в результате взаимодействия простейших органических соединений при постепенном усложнении находит все больше сторонников. Этим процессам благоприятствовали высокое содержание простых органических соединений в поверхностных водах еще молодой Земли, наличие разнообразных условий, постоянный приток энергии от Солнца, в том числе и жесткого ультрафиолета.

Возник круговорот веществ, который привел к круговороту и органических веществ, т.е. из взаимных превращений абиотических веществ образовались процессы синтеза и распада органики, стали сохраняться более устойчивые соединения и распадаться малоустойчивые. Если бы шли только процессы синтеза, то структуры усложнялись, но никакого обмена веществ не получилось бы, т.е. получилась бы не жизнь, а кристаллизация. Бернал в 1969 г. подчеркивал это, т.к. если жизнь начала развиваться как единство процессов синтеза и деструкции органического вещества, то вряд ли на первых этапах она связана была с простейшими организмами. Стало быть, жизнь появилась раньше живых организмов.

В 50-е годы начала бурно развиваться биохимия. Возникновение молекулярной биологии привело к союзу биохимии и генетики, кульминацией которого явилось появление гипотезы Уотсона-Крика (1953), объяснявшая, каким образом генетическая информация может быть записана в молекулах ДНК. Самое важное - все организмы обладают одним и тем же генетическим кодом.

Если рассматривать на молекулярном уровне природу жизни, то она проще анализируется в наипростейших системах - вирусах. Вирусы состоят из нуклеиновых кислот (ДНК или РНК), заключенных в белковую оболочку, так не является ли молекула ДНК первой живой формой? Обсуждение этой проблемы происходило в очень острой форме: ведь «план построения» молекулы ДНК не может быть признан случайным, а огромное количество информации не возникает внезапно. Опарин усматривал сходство взглядов на ген и на молекулу ДНК. Для него жизнь - это процесс, поток, обмен веществ в материи, и потому не может быть отождествлен с какой-то застывшей формой.

В своей книге «Жизнь, ее природа, происхождение и развитие» (1960) Опарин приводит хорошо известный факт, что внутренняя организация паразитов становится проще по мере того, как они становятся «зависимыми от своих хозяев» и адаптируются к этой экологической нише. Все вирусы являются паразитами, поэтому, хотя закодированные нуклеиновые кислоты вирусов - продукт эволюции более высокоорганизованных организмов, сами по себе вирусы есть конечный результат паразитического вырождения, утратившими все, кроме генетического материала. Они способны к самовоспроизведению при использовании метаболических процессов более высокоорганизованных организмов, и они не смогли бы появиться, если бы до них не имела место эволюция организмов, обладающая способностью к метаболизму.

Теория Опарина включает разработку эволюции процессов обмена веществ. Он считал, что механизм запасения солнечной энергии с помощью хлорофилла достаточно сложен и не мог возникнуть быстро, как и процесс окисления некоторых неорганических соединений, например, серы или железа, используемый некоторыми микроорганизмами для биосинтеза.

В 1951 г. американский ученый Г. Блюм обратил внимание на то, что на ранних этапах эволюции жизни и фотосинтез должен быть иным, отличным от современного. Другой ученый, Г. Гаффон, делил эволюцию энергетики организмов на пять этапов, связанных с последовательной эволюцией внешних условий, в частности, изменением состава солнечного излучения, достигающего земной поверхности (1962). Примитивный фотосинтез использовал ультрафиолетовое излучение, а по мере образования озонового слоя живое постепенно приспосабливалось к фотонам меньшей энергии, но в большем количестве.

В 1931 г. появилась концепция Вернадского. Он писал о геохимических функциях биосферы: «…среди миллионов видов нет ни одного, который бы мог исполнить один все геохимические функции жизни, существующие в биосфере изначально. Следовательно, изначальный морфологический состав живой природы в биосфере должен быть сложным. И первое появление жизни при создании биосферы должно было произойти не в виде появления одного какого-то организма, а в виде их совокупности, отвечающей геохимическим требованиям жизни». Вернадский связывал возникновение жизни с гигантской катастрофой, которая прервала безжизненную эволюцию земной коры и внесла в нее столько противоречий, что они смогли породить жизнь. Он считал, что наука способна определить условия, при которых зарождение жизни окажется единственно возможным. Когда-то в прошлом при наличии физико-химических условий, не учитывающихся в настоящее время, был нарушен принцип Реди («все живое - из живого»). Этот принцип, установленный в XVII в., не должен выполняться абсолютно, он только указывает, что самопроизвольного возникновения жизни нет сейчас и не было в то время, когда жизнь уже существовала, раз возникнув. В биосфере, по Вернадскому, есть косное вещество (минералы), которое остается постоянным, и живое, меняющееся в процессе эволюции.

За последние десятилетия были открыты явления, которые позволяют связать воедино фрагментальные идеи и подтвердить высказываемые предположительно некоторые положения работ Вернадского. Во-первых, был открыт генетический код, единый для всего живого. Этот четырехбуквенный алфавит выглядит как следствие процесса естественного отбора, отразившего «наиболее приспособленную к земным условиям форму передачи наследственной памяти, наследственной информации, которая кодируется нуклеиновыми кислотами», как выразился академик Моисеев. Это единство генетического кода трудно объяснить, отрицая, что жизнь зародилась на Земле и является естественным продуктом ее эволюции. Вернадский не мог утверждать это уверенно, поэтому использовал это положение, как не противоречащее опытным данным. Во-вторых, недавно были обнаружены следы жизни на Земле, которые просуществовали 3,6 млрд лет в глубокой пещере на дне океана. Это значит, что почти одновременно (по космическим масштабам времени) с возникновением нашей планеты на ней появилась жизнь.

Согласно нескольким гипотезам о предбиологических системах, решающая роль при превращении неживого в живое принадлежит белкам. Коацерватная гипотеза Опарина, относящаяся к этой стадии жизни, достаточно разработана. Изза амфотерности молекул белка они способны образовывать коллоидные гидрофильные комплексы, т.е. притягивать к себе молекулы воды, которые создают вокруг них оболочку типа эмульсии. При слиянии таких комплексов друг с другом образуются коацерваты (лат. coaceiyatus «накопленный, собранный»), отделяющие коллоиды от остальной водной среды. В разных местах этот «первичный бульон» отличался, и образовывались различные коацерваты, являющиеся сырьем для «биохимического естественного отбора». В самих коацерватах происходили дальнейшие химические реакции, при поглощении ими ионов металлов, образовывались ферменты. Вдоль границ выстраивались сложные углеводороды, напоминающие мембраны клетки, которые обеспечивали некоторую стабильность.

Судьба коацерватной капли определялась тем, какой процесс в ней оказывался преобладающим - роста или распада. Поскольку среда, в которой они образовывались, мало отличалась по своему составу, то сохранение устойчивости не испытывало затруднений. Отличающееся от среды распадалось, а то, что не особенно отличалось от среды, сохранялось и росло. Так происходил отбор капель, наиболее устойчивых в данных условиях. Миллионы лет шел отбор коацерватных капель, бесчисленное их число растворилось в мировом океане, и лишь малая часть сохранилась.

Достигнув определенных размеров, одна капля могла распасться на дочерние, и те из них, которые соответствовали по структуре материнской, росли дальше, а резко отличные - распадались. В процессе длительного отбора сохранялись только те капли, которые не теряли своей структуры, т.е. приобрели свойство самовоспроизведения. При попадании в коацерват способной к воспроизведению молекулы и внутренней перестройки липидной оболочки могла образоваться и простейшая клетка. Процесс мог развиваться и привести к образованию простейшего организма, питающегося органическими веществами из первичного бульона. Появление самовоспроизведения закрыло этап предыстории развития жизни. Коацерватная капля стала живым организмом, открылась возможность прогрессивной эволюции.

В своей знаменитой работе «Самоорганизация материи в ходе химической эволюции» (1971) Эйген распространил на процессы, которые должны были происходить при эволюционном скачке, принцип дарвиновского отбора и ввел понятие конкуренции гиперциклов или циклов химических реакций, которые приводят к образованию белковых молекул. Те циклы, которые работают быстрее и эффективнее, чем остальные, и «побеждают» в конкурентной борьбе. Что понимает Эйген под конкуренцией, за что осуществляется борьба? Пищей служат молекулы мономеров, которые хотят поглотить, присоединить к себе макромолекулы полимеров, или, точнее, циклы реакций. В первичном бульоне присутствуют и катализаторы химических реакций, которые сами образуются в них как промежуточные продукты, тем самым протекающие реакции похожи на реакции типа Белоусова-Жаботинского, т.е. являются автокаталитическими. Эйгену еще не было известно, что через несколько лет такие самоорганизующиеся системы начнут изучать в разных областях науки, выделят принципы самоорганизации и появится новая область знания - синергетика.

В 1979 г. Опарин выступил с критикой позиции Эйгена, считая появление жизни закономерным, а не случайным процессом. Его поддержал преподаватель Пермского университета В.В. Орлов, утверждавший, что философия должна «объяснять» процессы происхождения жизни и сознания. Он верил в целенаправленность эволюции материи, кульминацией которой является происхождение человека. Этот телеологический способ мышления сближал Опарина и Орлова с философией природы Тейяра де Шардена. С их взглядами не согласился Дубинин: «Жизнь - это не фатальное последствие химической эволюции. Жизнь на Земле могла и не возникнуть…».

3. Одна из гипотез о первых организмах

У всех современных организмов главные молекулярные механизмы одинаковы, что проливает свет на всю эволюционную теорию.

Только некоторые из важнейших биокомпонентов получить достаточно легко, но биохимические процессы сложны и взаимосвязаны, и первые организмы не могли быть так сложно устроены. Может быть, аминокислоты и не участвовали «в самом начале»? Принято считать, что до возникновения первых организмов происходила химическая эволюция, возник набор молекул, из которого, как из конструктора, собраны организмы. В этот набор включают аминокислоты, сахара и некоторые другие молекулы. Но, самое главное, это не набор деталей, а план организации, который одинаков.

В процессе биосинтеза белка код перевода текста РНК в последовательность везде одинаков, как и набор аминокислот. Но этот сложный и хорошо подогнанный механизм не мог возникнуть разом. Он должен был сложиться позже появления первых организмов, и в них должны действовать более простые правила. Первые организмы должны состоять из веществ геохимического происхождения, быть способными к эволюции и просто устроенными. Поэтому, когда Меллера спросили, что нужно было первым организмам, кроме гена, он ответил - «ничего». Но для развития процесса должны откуда-то поступать и исходные вещества.

Что касается способности к эволюции, то должно быть что-то связующее поколения, и этим связующим может быть только форма или информация, а не вещество. Она должна храниться в материальном субстрате, в неких генах, и как-то проявляться (давать фенотип), что способствует ее сохранению и размножению. В этом процессе могут участвовать и другие вещества, но передаваться и долго сохраняться может только информация.

В ходе передачи информации могут происходить и случайные изменения - мутации. Они могут накапливаться при передаче через поколения и менять фенотип, потому и должен быть механизм контроля за отбором нужной информации. Есть предположения, что первыми организмами могли быть РНК, имевшие план, причем для эффективности работы этой информации процесс трансляции не обязателен. РНК, как показали опыты, могут эволюционировать даже в пробирке. Необходимый для этого фермент достаточно сложен, чтобы считать его продуктом геохимической эволюции ранней Земли. Если даже использовать более простые катализаторы, то они должны быть богатыми энергией нуклеотидами.

В связи с этими сложностями возникла идея, что в ходе эволюции первичный геохимический генетический материал постепенно; был заменен другим, уже органическим. Американский ученый. А. Керн-Смит предложил процесс генетического захвата, подсказанный особенностями роста кристаллов и минералов. Известно, что кристаллы - наиболее часто встречающиеся; образования, способные к самосборке. Еще Бернал проводил подобное сравнение, говоря, «кристаллизация - это смерть». Если кристаллы кажутся слишком однообразными для зарождения жизни, то не надо забывать, что практически в любом из них есть дефекты. Некоторые блоки в них могут заменяться или смещаться относительно друг друга, т.е. кристаллы высокоинформационны. Вокруг нас непрерывно происходят процессы кристаллизации глины из слабых растворов кремниевой кислоты и гидратированных ионов металлов под действием двух факторов.

Имеется геологический цикл, который существует за счет энергии радиоактивного распада, разогревающий недра планеты. Сюда входят захоронение осадочных пород, преобразование их при высоких температурах, погружение в глубины и выход на поверхность в измененном виде. В этих условиях они могут быть не очень стабильными и легко растворяться водой с образованием кремниевой кислоты и ионов металлов, которые кристаллизуются, производя новые вещества - минералы глины. Эти минералы вновь вовлекаются в цикл, погружаясь в недра. За счет второго цикла, сильно зависящего от Солнца через испарение воды, выпадение осадков и т.д., происходит поступление воды. По проверенным данным эти циклы существуют уже 3,8 млрд лет, и, возможно, что первые примитивные гены представляли собой микрокристаллические кристаллы глины, отличные от слоистых силикатов, т.е. более широкого класса глин.

Но даже в самых распространенных видах глин имеется последовательность слоев разных типов, которая может расти в обе стороны, что похоже на модель одномерного гена. Другой тип глины, каолинит, напоминает двухмерный ген. Отдельные слои коалинита представляют собой, согласно ренттеноструктурному обследованию, мозаично расположенные небольшие домены.

В каждом домене атомы алюминия имеют одну из трех возможных ориентации. В таких структурах может храниться уже много информации, и она может реплицироваться при условии, что во вновь образованном слое ориентация атомов алюминия будет связана с ориентацией предыдущего слоя. В идеальных кристаллах все соблюдено, а в реальных - встречаются ошибки. Эти кристаллы похожи на червей, у них ясно выраженная организация поперечного строения. А. Вейсс в Мюнхене исследовал слои кристаллов смектита и установил, что каждый новый слой выстраивается в соответствии с особенностями строения предыдущего, как бы получая от него информацию о строении.

При образовании песчаника растворы, содержащие продукты выветривания, просачиваются сквозь него, и в порах происходит кристаллизация глин. Процесс происходит одновременно в нескольких участках, в каждом из которых будут находиться миллионы кристаллов с определенными дефектами структуры. Где-то формы и размеры кристаллов будут таковы, что при прилегании друг к другу они образуют водонепроницаемый заслон. Где-то вода будет протекать свободно, а где-то кристаллы закрепятся в углублениях пор, и так начнут действовать некие факторы отбора кристаллов с определенными дефектами. В результате мутаций появятся новые варианты таких структур, и в разных участках возникнут структуры, отличающиеся своими дефектами. Это может привести к тому, что в одних местах рост пойдет быстрее, чем в других, одни части начнут лучше переносить периодические неблагоприятные условия, чем другие.

В более реальных (и более сложных) условиях почвенные растворы из песчаника попадают в быстро текущий поток, который изза малой концентрации вещества в нем и повышенной кислотности, например, не обеспечивает условий для синтеза глин, но содержит один из компонентов, недостающих в песчанике. Может случиться, что это как раз тот компонент, которого недостает для образования «генетической глины». Наиболее подходящим с точки зрения химии для образования такой глины будет поверхность раздела между средами. Эта поверхность невелика и меняется, поэтому с физической точки зрения такие условия далеки от идеальных, и образующиеся кристаллы могут вымываться потоком или растворяться вновь. Но она может и стабилизироваться другими кристаллами, прилепленными к песчанику. В результате около этой поверхности может держаться какая-то клейкая масса. Происходящие процессы, как мутации, будут менять форму образующихся кристаллов и их пористость, влияющих на кислотность и градиенты концентрации отдельных ионов. Таким путем естественного отбора находятся условия, подходящие для синтеза глин в данном месте, и наилучшие шансы получит тот «комок генов», который будет в самых подходящих условиях.

Такие организмы, состоящие только из генов, могли существовать, поскольку сам набор генов уже обладал фенотипом, или характеризовался комплексом физико-химических свойств, определяемым имеющейся в генах информацией, от которой зависит его эволюционная судьба. В реальных условиях этот набор частично загрязнялся другими глинами, но их совместная кристаллизация иногда могла и улучшить свойства агрегатов. Одновременно могли происходить мутации генов, попавших под действия отбора, который приводил к образованию «вторичных» глин.

А.Дж. Кернс-Смит из Кембриджа, сторонник зарождения жизни в кристаллах глины, считает, что предшественники РНК, появившиеся в развитых глиняных организмах, в первую очередь играли структурную роль. РНК-подобный полимер с отрицательно заряженным остовом молекулы должен был стремиться связываться с краями частиц глины, которые обычно заряжены положительно. Гетероциклические основания (типа молекул аланина) имеют склонность проникать между слоями глины. Возможно, некий РНК-полимер возник для взаимодействия с глинами или даже для «чтения» информации, запечатленной на краях одномерных глиняных «генов».

Как только РНК стала реплицирующей молекулой, произошел «генетический» захват, приведший к становлению существующих ныне механизмов биохимического контроля. Так возник новый тип «сотрудничающего» генетического материала. Чтобы отойти от глиняного каркаса, потребовалась длительная эволюция. И в этом важную роль сыграла сложная система механизмов белкового синтеза, которая постепенно усложнялась, а после исчезновения каркаса стала необходимой.

Трудно понять объединение сложных молекул в отсутствие ферментов. Такая сложная система подгонки и очистки должна была работать в строгой последовательности и не могла быть результатом случайности. Для развитых организмов, «сделанных» из глины, этим организующим фактором стал естественный отбор. Вероятно, до белковых молекул были какие-то катализаторы, которых скорее всего уже нет.

4. Некоторые рассуждения об определении жизни и об экспериментах на возможных первых организмах

Еще в середине прошлого века стало известно, что протоплазма живой клетки, состоящая из углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы, в химическом отношении близка к ароматическим соединениям. Изучение строения белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот в организмах показывает, что они не отличаются от своих аналогов, которые образуются под влиянием электрических разрядов или высоких температур. Кристаллы тоже обладают признаками, присущими живой материи: они сохраняют форму, растут, способны к питанию - поглощению из окружающей среды нужных; компонентов и даже размножению (пример тому - друзы кристаллов, выросшие из перенасыщенного раствора соли или сахара). Таким образом, с позиций химии принципиальных отличий живого от неживого нет. Кристаллы также чувствительны к внешним условиям типа изменения температуры, концентрации растворов или наличия примесей.

Если под живым понимать целенаправленное усложнение структур в результате эволюции, то первые организмы из глины не следует считать живыми. Но они постепенно приобретали все свойства живых. Опарин был убежден, что живые организмы должны обладать таким свойством, как «целесообразность» строения. Занимаясь этим вопросом, он отмечал, что свойство «целесообразности» строения «пронизывает весь живой мир сверху донизу, до самых элементарных форм жизни». Эта целесообразность организации есть результат истории взаимодействия между организмом и окружающей его средой, ее истоки кроются в фундаментальном различии между человеком и машиной.

Опарин, Энгельгард и другие придерживались «субстациональной» точки зрения. Для них в возникновении жизни были важны субстанции, определенные структуры, химические процессы в них. Определение Энгельса («жизнь есть форма существования белковых тел») уточнялось и сводилось к трем положениям: а) жизнь материальна по своей природе; б) жизнь обладает материальным носителем; в) жизнь есть качественно определенная форма движения материи.

Дж. Лоулесс с сотрудниками из Эймсского центра НАСА (Калифорния) выяснили, что ионы металлов (Си, ZN) могут способствовать связыванию нуклеотидов с глинами, а ионы глин служат селективными катализаторами для аминокислот. Работавший в этом центре М. Мортланд установил, что кофермент пиридоксальфосфат может действовать как фермент, если находится в контакте с глинами, содержащими медь. Н. Лахов, Ш. Чанг и Д. Уайт выяснили, каким образом глины при периодическом смачивании и высушивании могут способствовать соединению молекул аминокислоты глицина. Впоследствии Лоулесс, Чанг и другие исследовали углеродсодержащие метеориты, и в этих ровесниках солнечной системы были обнаружены и глины, и органические вещества.

Изучение поверхности Марса показало, что там в основном имеются богатые железом монтмориллонитовые глины. Это объясняет результаты опытов, выполненных посадочным аппаратом «Викинг», в которых под влиянием ультрафиолетового излучения превращались СО2 и СО в молекулы органических соединений. Опыты Хаббарда показали тот же эффект, и среди органических соединений большую часть, как и на Марсе, составляла муравьиная кислота.

Оказалось, что коалиновые глины способны собирать энергию из окружающей среды, выделяемую при радиоактивном распаде, сохранять ее и высвобождать в нужных случаях, например, когда структура глины нарушается при высушивании или смачивании. Это показали эксперименты, проведенные Л. Койн в Калифорнийском университете. Самой сложной задачей является, конечно, обнаружение генов кристаллов, причем многих типов. Если бы это удалось, то открылись бы колоссальные и увлекательные возможности не только по созданию первейших организмов, но и управлению эволюцией.

Среди умозрительных гипотез происхождения жизни известны: креационизм, самопроизвольное возникновение, вечное существование, панспермии, биохимическим путем. Часть из этих гипотез развивалась, используя научные данные.

Современные гипотезы происхождения жизни связаны с образованием в определенных условиях более сложно организованных органических молекул - коагулянтов, гелей и коацерватов. У этих коллоидных образований на поверхности могут происходить процессы, напоминающие метаболизм живых организмов, как считали Опарин и Холдейн. Коацерваты способны делиться на части, увеличиваться в размерах, поглощать более простые молекулы.

Сопоставление вероятности определенного сочетания 6000 нуклеотидов и времени, необходимого для этого, с временем существования Вселенной указывало на необходимость поиска более быстрых, скачкообразных механизмов образования нужных структур. Открытие генетического кода в середине 50-х годов стимулировало интенсивные биохимические исследования, тем более, что код был единым для всего, живого.

Эйген для ускорения эволюционного процесса выдвинул идею конкуренции гиперциклов химических реакций, которые ведут к образованию белковых молекул. Реакции, протекающие в «первичном бульоне», похожи на реакции Белоусова-Жаботинского.

Изучение процессов кристаллизации некоторых глин и сопоставление их с появлением усложняющихся структур в РНК-полимерах привело А. Кернса-Смита к гипотезе зарождения жизни в кристаллах глины. предбиологический организм кристаллизация глина

1. Бабушкин А.Б. Современные концепции естествознания. Лекции по курсу. - СПБ.: Издательство «Лань», 2001.

2. Дубнищева Т.Я. - Концепции современного естествознания. Учебник под ред. акад. М.Ф. Жукова. -3-е издание. - М.: ИКЦ «Маркетинг», Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2001. - 832 с.

3. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания: учебное пособие для вузов. - М.: Владос, 1998.

4. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов / Лаввриненко, В.П. Ратников, Г.В. Баранов и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - М: ЮНИТИ-ДАНА, 2002. - 303 с.