Исследование проблемы зарождения жизни на Земле. Космические процессы, приведшие к образованию самой Земли и планет Солнечной системы. Концепции, касающиеся возникновения Земли. Легенды о сотворении мира и живых существ. Первичная биохимическая эволюция.
Аннотация к работе
Вопреки бытующим представлениям, наука не в состоянии опровергнуть идею о божественном сотворении первозданной Вселенной, так же как теологические взгляды не обязательно отвергают возможность того, что жизнь в процессе своего развития приобрела черты, объяснимые на основе законов природы. Среди главных концепций возникновения жизни на Земле следует упомянуть следующие: 1) жизнь была создана сверхъестественным существом в определенное время (креационизм); Согласно этой концепции, жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом; ее придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений. Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждавшие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза). Земля всегда способна поддерживать жизнь, а если жизнь и изменялась, то очень мало; виды также существовали всегда.Эта концепция позволила проанализировать общие закономерности геологической и биологической эволюции на нашей планете.
Введение
зарождение жизнь земля биохимический эволюция
Вопрос о происхождении жизни - один из самых трудных в современном естествознании. В первую очередь потому, что мы сегодня не можем воспроизвести процессы возникновения жизни с такой же точностью, как это было миллиарды лет назад. Ведь даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь моделью, приближением, безусловно, лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на земле. И, тем не менее, наука успешно решает вопрос о происхождении живого, проводит многочисленные исследования, постоянно расширяет наши представления о зарождении жизни. Это вполне понятно - проблема жизни лежит в фундаменте всех биологических наук и, в значительной мере, всего естествознания.
Сложность и малоизученность проблемы зарождения жизни на Земле долгое время служили питательной почвой для всевозможных религиозных легенд и мифов.
Материалистические теории возникновения жизни располагают сейчас многими прямыми и косвенными научными доказательствами своей правоты. С помощью совершеннейших приборов и методов моделируются и изучаются отдельные этапы возникновения живого органического вещества. И можно уверенно утверждать: недалеко время, когда в лабораториях ученых появятся первые крохотные живые клетки.
Рассматривая вопрос о происхождении жизни, нельзя оставлять в стороне космические процессы, приведшие к образованию самой Земли и других планет Солнечной системы.
Более 50 лет вопрос о происхождении жизни разрабатывается крупнейшими учеными, начиная с А.И. Опарина, Б.С. Холдейна. Крупный вклад в это решение внесли Дж. Оро, Г. Меллер, Дж. Бернал, В.Г. Фесенков, Понаперума и другие.
Концепции, касающиеся возникновения Земли, да и всей Вселенной, разнообразны и далеко не достоверны. Согласно концепции стационарного состояния, Вселенная существовала извечно. Согласно другим гипотезам, Вселенная могла возникнуть из сгустка нейтронов в результате Большого взрыва, родилась в одной из черных дыр или же была создана Творцом. Вопреки бытующим представлениям, наука не в состоянии опровергнуть идею о божественном сотворении первозданной Вселенной, так же как теологические взгляды не обязательно отвергают возможность того, что жизнь в процессе своего развития приобрела черты, объяснимые на основе законов природы.
Среди главных концепций возникновения жизни на Земле следует упомянуть следующие: 1) жизнь была создана сверхъестественным существом в определенное время (креационизм);
2) жизнь возникала неоднократно из неживого вещества
(самопроизвольное зарождение);
3) жизнь существовала всегда (теория стационарного состояния);
4) жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия);
5) жизнь на нашей планете возникла случайно;
6) жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам (биохимическая эволюция).
1. Креационизм
Согласно этой концепции, жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом; ее придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений. В 1650 г. архиепископ Ашер из г. Арма (Ирландия) вычислил, что бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н.э. и закончил свой труд 23 октября в 9 часов утра, создав человека. Ашер получил эту дату, сложив возрасты всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии, - от Адама до Христа («кто кого родил»). С точки зрения арифметики это разумно, однако при этом получается, что Адам жил в то время, когда, как показывают археологические находки, на Ближнем Востоке существовала хорошо развитая городская (шумерская) цивилизация, которая имела свою письменность, развитое хозяйство, имела разносторонние торговые связи с соседними государствами.
Очень близкие легенды о сотворении мира и живых существ каким-то сверхъестественным существом присутствуют в мифах и сказаниях очень многих народов на Земле. Эти мифы и сказания появились значительно раньше, чем Библия. Например, представления шумеров о возникновении мира, о появлении человека нашли отражение в Библии. Главными богами шумеров были Ан (небо) и Ки (земля), которые были неразрывно связаны. Ан практически не вмешивался в дела на Земле, передав эти функции богам, родившимся от него. Так, родившийся от этого союза бог воздуха Энлиль разделил небо и землю и практически господствовал над Вселенной. Мифы древнейших народов, религиозные убеждения современных людей указывают на сходство попыток объяснить как появление природы, так и различные природные явления.
Традиционное иудейско-христианское представление о сотворении мира, изложенное в Книге Бытия, 1.1.-26, вызывало и продолжает вызывать споры. Хотя все христиане признают, что Библия - завет господа людям, по вопросу о длине «дня», упоминающегося в Книге Бытия, существуют разногласия. Некоторые считают, что мир и все населяющие его организмы были созданы за шесть дней продолжительностью по 24 часа. Они отвергают любые другие точки зрения и целиком полагаются на вдохновение, созерцание и божественное откровение. Другие христиане не относятся к Библии как к научной книге и считают, что в Книге Бытия изложено в понятной для людей всех времен форме теологическое откровение о сотворении всех живых существ всемогущим творцом. Для них описание сотворения живых существ скорей относится к ответу на вопрос «почему?», а не «каким образом?». Если наука в поисках истины широко использует наблюдение и эксперимент, то богословие постигает истину через божественное откровение и веру.
Вера признает вещи, которым нет доказательств в научном смысле слова. Это означает, что логически не может быть противоречия между научным и богословским объяснением сотворения мира, так как эти две сферы мышления взаимно исключают одна другую. Для ученого научная истина всегда содержит элемент гипотезы, предварительности, но для верующего теологическая картина абсолютна.
Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения; этого достаточно, чтобы вынести всю концепцию божественного сотворения за рамки научного исследования. Наука занимается только теми явлениями, которые поддаются наблюдению, а поэтому она никогда не будет в состоянии ни доказать, ни отвергнуть эту концепцию.
2. Самопроизвольное зарождение
Эта концепция была распространена в древних Китае, Вавилоне и Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Аристотель (384-322 до н.э.), которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения. На основе собственных наблюдений он развил эту теорию дальше, связывая все организмы в непрерывный ряд - «лестницу природы».
Согласно теории Аристотеля о спонтанном зарождении, определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, считая, что это активное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном свете, тине и гниющем мясе.
«Таковы факты - живое может возникать в результате не только спаривания животных, но и разложения почвы... Так же обстоит дело и у растений: некоторые развиваются из семян, а другие как бы самозарождаются под действием сил природы, возникая из разлагающейся земли, отбросов или из определенных частей растений» (Аристотель). Эту идею поддерживали такие выдающиеся ученые и мыслители как Парацельс, эмбриолог Гарвей, Н. Коперник, Г. Галилей, Р. Декарт, Гете, Шеллинг и др. Их авторитет во многом определил долгий срок существования теории самозарождения и ее широкое распространение.
С распространением христианства, концепция спонтанного зарождения жизни оказалась не в чести; ее признавали лишь те, кто верил в колдовство и поклонялся нечистой силе, но эта идея все же продолжала существовать в течение еще многих веков. Ван Гельмонт (1577-1644), весьма знаменитый и удачливый ученый, описал эксперимент, в котором он за три недели якобы создал мышей. Для этого нужны были грязная рубашка, темный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом в процессе зарождения мыши Ван Гельмонт считал человеческий пот.
Даже опыты Ф. Реди и Спаллацани не смогли поколебать эту концепцию. В 1688 г. итальянский биолог и врач Франческо Реди, живший во Флоренции, подошел к проблеме возникновения жизни более строго и подверг сомнению теорию спонтанного зарождения. Реди установил, что маленькие белые червячки, появляющиеся на гниющем мясе, - это личинки мух. Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждавшие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза).
Эти эксперименты, однако, не привели к отказу от идеи самозарождения, и хотя эта идея несколько отошла на задний план, она продолжала оставаться главной теорией в неклерикальной среде.
В то время как эксперименты Реди, казалось бы, опровергали спонтанное зарождение мух, первые микроскопические исследования Антона Ван Левенгука усилили эту теории применительно к микроорганизмам. Сам Левенгук не вступал в споры между сторонниками биогенеза и спонтанного зарождения, однако его наблюдения давали пищу обеим теориям и, в конце концов, побудили других ученых поставить эксперименты для решения вопроса о возникновении жизни путем спонтанного зарождения.
В 1765 г. Ладзаро Спалланцани провел следующий опыт: подвергнув мясные и овощные отвары кипячению в течение нескольких часов, он сразу же их запечатал, после чего снял с огня. Исследовав жидкости через несколько дней, Спалланцани не обнаружил в них никаких признаков жизни. Из этого он сделал вывод, что высокая температура уничтожила все формы живых существ и что без них ничто живое уже не могло возникнуть.
В 1860 г. проблемой происхождения жизни занялся Луи Пастер. К этому времени он уже многое сделал в области микробиологии и сумел разрешить проблемы, угрожавшие шелководству и виноделию. Он показал также, что бактерии вездесущи и что неживые материалы легко могут быть заражены живыми существами, если их не простерилизовать должным образом. В результате ряда экспериментов, в основе которых лежали методы Спалланцани, Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения.
Однако подтверждение теории биогенеза породило другую проблему. Коль скоро для возникновения живого организма необходим другой живой организм, то откуда же взялся самый первый живой организм? Только теория стационарного состояния не требует ответа на этот вопрос, а во всех других теориях подразумевается, что на какой-то стадии истории жизни произошел переход от неживого к живому. Было ли это первичным самозарождением?
3. Концепция стационарного состояния
Согласно этой концепции, жизнь никогда не возникала, а существовала вечно. Земля всегда способна поддерживать жизнь, а если жизнь и изменялась, то очень мало; виды также существовали всегда. Считается, что после Большого взрыва, в процессе которого образовалась наша Вселенная, на ранних этапах ее развития произошло разделение вещества на живое и неживое.
Оценки возраста Земли сильно варьировали - от примерно 6000 лет по расчетам архиепископа Ашера до 50 005 010 560 лет по современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада. Более совершенные методы датирования дают все более высокие оценки возраста Земли, что позволяет сторонникам концепции стационарного состояния полагать, что Земля существовала всегда. Согласно этой концепции, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности - либо изменение численности, либо вымирание.
Сторонники этой концепции не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб - латимерию. По палеонтологическим данным кистеперые вымерли в период мелового периода, 70 миллионов лет назад. Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в районе Мадагаскара были найдены живые представители кистеперых. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми остатками, можно делать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения концепции стационарного состояния, ее немногочисленные сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте. Так, например, внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков. Большая часть доводов в пользу этой концепции связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, и она наиболее подробно разработана именно в этом направлении.
4. Концепция панспермии
Эта концепция не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а выдвигает идею о ее внеземном происхождении. Поэтому ее нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой; она просто переносит проблему в какое-то другое место во Вселенной. Эта концепция разрабатывалась в середине XIX века Г. Рихтером. Ее разделяли такие ученые как С. Аррениус, Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский. Так, С. Аррениус в 1908 году высказал мысль о том, что жизнь на Земле началась тогда, когда на нашу планету из космоса попали зародыши жизни. «Частицы жизни», носящиеся в просторах космоса, переносимых давлением света от звезд, оседали то здесь, то там, осеменяя ту или иную планету.
Концепция панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время и в разных частях Галактики или Вселенной. Для обоснования этой концепции используются многократные появления НЛО (неопознанные летающие объекты), наскальные изображения предметов, похожих на ракеты и «космонавтов», а также сообщения якобы о встречах с инопланетянами. Советские и американские исследования в космосе позволяют считать, что вероятность обнаружить жизнь в пределах нашей Солнечной системы ничтожна, однако они не дают никаких сведений о возможной жизни вне этой системы.
При изучении материала метеоритов и комет в них были обнаружены многие «предшественники живого» - такие вещества, как цианогены, синильная кислота и органические соединения, которые, возможно, сыграли роль «семян», падавших на голую Землю. Появился ряд сообщений о нахождении в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни, однако доводы в пользу их биологической природы пока не кажутся ученым убедительными. Тем не менее эта концепция полного научного обоснования не получила. Хотя спектр возможных условий для существования живых организмов достаточно широк, все же считается, что они должны погибнуть в космосе под действием жесткого космического и ультрафиолетового излучений. Кроме того, эта концепция не решает вопрос о происхождении жизни, а говорит о занесении жизни на Землю. Где же и когда возникла жизнь?
5. Гипотеза случайного возникновения жизни
Согласно этой гипотезе, на Земле случайно возникла первичная живая молекула. Эта молекула появилась лишь один раз за время существования нашей планеты. Поэтому экспериментально эту гипотезу проверить невозможно. Тем не менее, гипотеза получила широкое распространение среди генетиков, особенно в связи с открытием роли ДНК в явлениях наследственности. Г. Меллер в 1929 г. развивал мысль о том, что на Земле случайно образовалась единичная «живая генная молекула», обладавшая внутримолекулярным жизнеопределяющим строением, которое она пронесла неизменным через все развитие земной жизни. Долгое время моделью такой «живой молекулы» считали частицу нуклеопротеида вируса табачной мозаики. Но сейчас стало очевидным, что вирусы нельзя рассматривать как промежуточный этап на пути образования жизни. Сначала должна возникнуть жизнь, а потом возникнуть вирусы.
Вероятность случайного возникновения жизни очень мала, тем не менее, эта гипотеза до сих пор широко распространена в научной литературе.
6. Первичная биохимическая эволюция
Среди астрономов, геологов и биологов принято считать, что возраст Земли составляет примерно 4,5-5 миллиардов лет.
По мнению многих биологов, в далеком прошлом состояние нашей планеты было мало похоже на нынешнее: по всей вероятности, температура ее поверхности была очень высокой (4000-80000 С), и по мере того, как Земля остывала, более тугоплавкие вещества конденсировались и образовывали земную кору. Поверхность планеты была, вероятно, голой и неровной, так как на ней в результате вулканической активности, непрерывных подвижек коры и сжатия, вызванного охлаждением, происходило образование складок и разрывов.
Полагают, что в те времена атмосфера была совершенно не такая, как теперь. Легкие газы - водород, гелий, азот, кислород и аргон - уходили из атмосферы, так как гравитационное поле нашей еще недостаточно плотной планеты не могло их удержать. Однако простые соединения, содержащие (среди прочих) эти элементы, должны были удерживаться; к ним относятся вода, аммиак, двуокись углерода и метан. До тех пор пока температура Земли не упала ниже 1000 С, вся вода, вероятно, находилась в парообразном состоянии. Атмосфера была, по-видимому, «восстановительной», о чем свидетельствует наличие в самых древних горных породах Земли металлов в восстановленной форме, таких, как двухвалентное железо. Более молодые горные породы содержат металлы в окисленной форме, например, трехвалентное железо. Отсутствие в атмосфере кислорода было, вероятно, необходимым условием для возникновения жизни; лабораторные опыты показывают, что, как это ни парадоксально, органические вещества (основа живых организмов) гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере, богатой кислородом.
В 1923 г. А.И. Опарин высказал мнение, что атмосфера первичной Земли была не такой, как сейчас, а примерно соответствовала сделанному выше описанию. Исходя из теоретических представлений, он полагал, что органические вещества, возможно, углеводороды, могли создаваться в океане из более простых соединений; энергию для этих реакций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнечная радиация (главным образом ультрафиолетовая), падавшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. По мнению Опарина, разнообразие находившихся в океанах простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался тот «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь. Эта идея была не нова: в 1871 г. сходную мысль высказал Ч. Дарвин: «Часто говорят, что все необходимые для создания живого организма условия, которые могли когда-то существовать, имеются и в настоящее время. Но если представить себе, что в каком-то небольшом теплом пруду, содержащем всевозможные аммонийные и фосфорные соли, при наличии света, тепла, электричества образовался бы химическим путем белок, готовый претерпеть еще более сложные превращения, то в наши дни такой материал непрерывно пожирался бы или поглощался, чего не могло случиться до того, как появились живые существа».
В 1953 г. Стенли Миллер в ряде экспериментов моделировал условия, предположительно существовавшие на первобытной Земле. В созданной им установке, снабженной источником энергии, ему удалось синтезировать многие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряда аминокислот, аденин и простые сахара, такие как рибоза. После этого Орджел в Институте Солка в сходном эксперименте синтезировал нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты).
Позднее возникло предположение, что в первичной атмосфере в относительно высокой концентрации содержалась двуокись углерода. Недавние эксперименты, проведенные с использованием установки Миллера, в которую, однако, поместили смесь СО2 и Н2О и только следовые количества других газов, дали такие же результаты, какие получил Миллер. Теория Опарина завоевала широкое признание, но она оставляет нерешенными проблемы, связанные с переходом от сложных органических веществ к простым живым организмам. В этом аспекте теория биохимической эволюции предлагает общую схему, приемлемую для большинства современных биологов. Однако они не пришли к единому мнению о деталях этого процесса.
Опарин полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежала белкам. Благодаря амфотерности белковых молекул, они способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов - притягивают к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от всей массы воды, в которой они суспензированы (водной фазы), и образовывать своего рода эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом приводит к отделению коллоидов от водной среды - процессу, называемому коацервацией (от лат. coacervus - сгусток или куча). Богатые коллоидами коацерваты, возможно, были способны обмениваться с окружающей средой веществами и избирательно накапливать различные соединения, особенно кристаллоиды. Коллоидный состав данного коацервата, очевидно, зависел от состава среды. Разнообразие состава «бульона» в разных местах вело к различиям в химическом составе коацерватов и поставляло таким образом сырье для «биохимического естественного отбора».
Предполагается, что в самих коацерватах входящие в их состав вещества вступали в дальнейшие химические реакции; при этом происходило поглощение коацерватами ионов металлов и образование ферментов. На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов (сложные углеводороды), что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивавшей коацерватам стабильность.
В результате включения в коацерват предсуществующей молекулы, способной к самовоспроизведению, и внутренней перестройки покрытого липидной оболочкой коацервата могла возникнуть примитивная клетка. Увеличение размеров коацерватов и их фрагментация, возможно, приводило к образованию идентичных коацерватов, которые могли поглощать больше компонентов среды, так что этот процесс мог продолжаться. Такая предположительная последовательность событий должна была привести к возникновению примитивного самовоспроизводящегося гетеротрофного организма, питавшегося органическими веществами первичного бульона.
Вывод
Наиболее разработанной концепцией происхождения жизни является концепция биохимической эволюции. Эта концепция позволила проанализировать общие закономерности геологической и биологической эволюции на нашей планете. Она не дает окончательных решений на многие вопросы происхождения жизни на Земле, но на ее основе сформировались перспективные исследования (расшифровка генома живых организмов, клонирование, биохимические основы долголетия и другие). Концепции происхождения жизни обращают внимание человека на его отношение к природе.
Список литературы
1. Новоженов В.А. Концепции современного естествознания, Барнаул 2001.
2. Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепции современного естествознания, Учебник, Москва 2007.
3. Дарвин Ч. Происхождение видов. - М., 1967, с. 608.
4. Опарин А.И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие. М., 1960, с. 189.
5. Опарин А.И. Современные представления о происхождении жизни на Земле // Журнал Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева, 1980, №3, с. 251.
6. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для ВУЗОВ. М: ООО «Издательство Астрель», 2003 - 380 с.