Теории возникновения жизни


Как началась жизнь? Этот вопрос беспокоил человека с давних времен. «Даже сформулировать данную проблему одному ученому не по силам, так как для этого ему нужно быть одновременно математиком, физиком, квалифицированным химиком-органиком, обладать широкими познаниями в геологии, геофизике, геохимии и, кроме всего прочего, свободно ориентироваться во всех областях биологии», - так высказался об этой проблеме профессор Джон Бернал. В течение многих веков выдвигалось немало различных теорий, призванных объяснить происхождение жизни. Среди основных (рис. 3) следует упомянуть следующие:

1. креационизм – жизнь была создана сверхъестественным существом в определенное время,

2. самопроизвольное зарождение – жизнь возникала неоднократно из неживого вещества,

3. стационарное состояние – жизнь существовала всегда,

4. панспермия – жизнь занесена на нашу планету извне,

5. биохимическая эволюция – жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам,

6. современная теория – теория биопоэза Дж. Бернала.

Согласно теории креационизма, жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом. Этой теории придерживаются последователи почти всех религий. 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 возраст всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии, - от Адама до Христа по принципу «кто кого родил». Согласно христианской религии, мир и все населяющие его организмы были созданы за 6 дней. Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и потому недоступный для наблюдения. Этого уже достаточно для того, чтобы вынести всю концепцию божественного сотворения за рамки научного исследования, поскольку вера признает вещи, которым нет доказательства в научном смысле слова.

IMG_0007

Рис. 3. Основные теории происхождения жизни

Теория спонтанного (самопроизвольного) зарождения была распространена в качестве альтернативы креационизму в Древнем Китае, Вавилоне и Египте. За 600 лет до н.э. Анаксимандр из Милета высказал мысль о возникновении жизни из морского ила и о последующей ее эволюции, его и можно считать основоположником идеи самозарождения жизни. Согласно Аристотелю, определенные «частицы» содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм (в оплодотворенном яйце, например, но и в солнечном свете, тине, гниющем мясе). Ван Гельмонт описал эксперимент, в котором он за 3 недели создал мышей. Для этого нужны были грязная рубашка, темный шкаф и горсть пшеницы (активное начало – человеческий пот). Ньютон придерживался этой теории.

Но в XVII в. придворный врач семейства Медичи Ф. Реди нанес первый удар по теории самозарождения жизни. Он впервые сделал то, что сегодня называется контрольным опытом. Реди положил два куска гнилого мяса в разные сосуды. Причем, один сосуд он оставил открытым, а другой закрыл марлей. Сторонники самозарождения жизни утверждали, что личинки мух и черви должны появиться как бы из ничего. Реди доказал, что личинки появились только в сосуде, который был открыт для контакта с внешней средой. Так был установлен знаменитый принцип Реди – все живое из живого (концепция биогенеза). Таким образом, уже в XVIII в. сформировались два течения: сторонники принципа Реди и сторонники так называемого абиогенеза.

В конце XVII в. Кирхером и Левенгуком был открыт микроскоп, а вместе с ним и мир мельчайших существ, невидимых простым глазом и различимых только в микроскоп. Этих мельчайших живых зверьков (так Левенгук называл открытые им бактерии и инфузории) можно было обнаружить везде, где только происходило гниение, в долго стоявших отварах и настоях растений, в кислом молоке, в гниющем мясе, бульоне, в зубном налете. «В моем рту, - писал Левенгук, - их (микробов) больше, чем людей в Соединенном Королевстве».

Невольно появилась мысль, что именно в гниющих отварах и настоях и происходит самозарождение живых микробов из неживой материи. Это мнение получило подтверждение в середине XVIII в. благодаря опытам шотландского священника Нидхэма. Он брал мясной бульон или отвары растительных веществ, помещал их в плотно закрывающиеся сосуды и недолго кипятил. При этом, по его мнению, должны погибнуть все зародыши, новые же не могут попасть извне, так как сосуды плотно закрыты. Но, тем не менее, через некоторое время в жидкостях появлялись микробы. Отсюда Нидхэм делал вывод, что он присутствует при явлении самозарождения.

Но против этого мнения выступил другой ученый, итальянец Спалланцани. Повторив опыты Нидхема, он доказал, что более продолжительное нагревание сосудов, содержащих органические жидкости, полностью их стерилизует.

Между представителями двух противоположных течений разгорелся спор. Спалланцани доказывал, что Нидхэм не достаточно прогревал жидкости во время опытов и, что там оставались зародыши живых существ, на что Нидхэм возражал, что не он нагревал жидкости слишком мало, а, наоборот, Спалланцани нагревал их слишком долго и таким образом уничтожал «жизненную силу». Он и его сторонники утверждали, что в живых организмах существует особая «жизненная сила». По мнению виталистов, «жизненная сила» присутствует всюду. Достаточно лишь вдохнуть ее, и неживое станет живым.

Споры между сторонниками абиогенеза и биогенеза продолжались и в XIX в. Даже Ламарк в 1809 г. писал о возможности самозарождения грибков.

С появлением книги Ч. Дарвина «Происхождение видов» вновь стал актуальным вопрос о том, как же все-таки появилась жизнь на Земле. В 1859 г. Французская Академия наук назначила специальную премию тому, кто сможет по-новому осветить проблему возникновения жизни. Эту премию в 1862 г. получил французский ученый Л. Пастер. Пастер провел эксперимент, соперничавший по простоте со знаменитым опытом Ф. Реди. Он кипятил в колбах различные питательные среды, в которых могли развиваться микроорганизмы, или защищал горло колбы ватной пробкой, в которой задерживались все мельчайшие частицы, взвешенные в воздухе. При длительном кипячении погибали не только сами микроорганизмы, но и их споры. Помня об утверждении виталистов, что «жизненная сила» не может проникать в запаянную колбу, Пастер присоединил к ней S-образную трубку со свободным концом. Споры микроорганизмов оседали на поверхности тонкой изогнутой трубки и не могли проникнуть в питательную среду (рис. 4). Хорошо прокипяченная питательная среда оставалась стерильной, в ней не наблюдалось самозарождения микроорганизмов, хотя доступ воздуха (а вместе с ним и «жизненной силы») был обеспечен.

prolive1

Рис. 4. Схема опыта Луи Пастера в колбах с S-образным горлом:

А - в колбе с S-образным горлом питательная среда долго остается стерильной; В - если удалить S-образное горло, то в среде быстро развиваются микроорганизмы

Но, может быть, продолжительное кипячение химически изменило среду и сделало ее непригодной для поддержания жизни? Пастер с легкостью опроверг и это возражение. Он бросал в стерилизованную кипячением жидкость ватную пробку, через которую пропускался воздух и которая, следовательно, содержала зародышей, - жидкость быстро загнивала. Значит, прокипяченные настои являются подходящей средой для развития микробов. И это развитие не происходило только потому, что не было зародыша, как только он попал в жидкость, она сразу же загнила.

Пастер своими опытами доказал невозможность самопроизвольного зарождения жизни. Витализму и представлениям о «жизненной силе» был нанесен сокрушительный удар.

Наконец, Пастер доказал, что можно без всякого нагревания неопределенно долго хранить такие легко загнивающие жидкости, как кровь и моча, нужно только извлекать их из организма животного (где они содержатся без микробов) асептически, то есть с принятием мер предосторожности против попадания зародышей извне.

Сложность строения даже наиболее простых организмов так поразила некоторых ученых, что переход неживого в живое казался им невозможным ни в прошлом, ни в настоящем. «Невозможность самозарождения в какое бы то ни было время, - говорит известный английский физик В. Томсон, - нужно считать так же прочно установленной, как закон всемирного тяготения».

Согласно теории стационарного состояния, Земля никогда не возникала, а существовала вечно, виды также существовали всегда.

Теория панспермии, основанная Г.Э. Рихтером, также не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а выдвигает идею о ее внеземном происхождении. Она не отвечает на прямой вопрос, а переносит проблему в другое место во Вселенной. В основе теории лежало представление о повсеместном распространении зародышей микроорганизмов во Вселенной. Они способны прикрепляться к носящимся в мировом пространстве маленьким частицам твердого вещества (космозои), отделившимся от небесных тел. Таким образом, они переносятся с одной, заселенной организмами планеты на другую, где жизни еще нет. Найдя на планете подходящие условия, т.е. подходящую температуру и влажность, зародыши начинают прорастать и эволюционировать; они являются впоследствии родоначальниками всего органического мира данной планеты.

Эта теория приобрела в научном мире много сторонников. Даже такие выдающиеся ученые, как Гельмгольц и В. Томсон поддерживали ее. Сторонники теории пытались научно обосновать возможность переноса зародышей с одной планеты на другую, при которой сохранялась бы их жизнеспособность. Ведь спору ожидает такое длительное и полное опасностей путешествие. Способна ли она его выдержать, не погибнув, и сохранить способность прорасти?

Прежде всего, зародыш подстерегает холод межпланетного пространства
(- 220°С). Зародыш обречен столетия и даже тысячелетия носиться при этой температуре, прежде чем случай даст ему возможность опуститься на новую планету. Но опыты показали, что современные нам зародыши микроорганизмов превосходно переносят холод.

Но гораздо большую опасность для зародышей представляют световые лучи. Некоторые бактерии под действием прямых солнечных лучей погибают в течение нескольких часов, другие более устойчивые, но на все без исключения бактерии световые лучи действуют одинаково губительно. Но это неблагоприятное действие ослабляется в отсутствие кислорода воздуха (в межпланетном пространстве нет воздуха), поэтому зародыши могут выдержать и это испытание.

Попав в сферу притяжения какой-нибудь планеты с благоприятными условиями, зародыш должен пролететь через толстый слой воздуха, окутывающий планету. Вследствие трения о воздух быстро летящий метеорит нагревается и сгорает от сильного жара далеко от поверхности земли, лишь немногие из них достигают цели. Такая же участь ожидает и зародыш. Но по крайней мере некоторые из них, попав в атмосферу, смогут добраться до поверхности земли жизнеспособными.

Теория панспермии отвечает только на вопрос о происхождении земной жизни, а не на вопрос о происхождении жизни вообще. Правда, в последнее время появился ряд сообщений о нахождении в метеоритах и кометах многих «предшественников жизни» - цианогенов, синильной кислоты и органических соединений.

В.И. Вернадский, не видя оснований для признания возможности абиогенного происхождения жизни на Земле, писал: «Признавая биогенез, согласно научному наблюдению, как единственную форму зарождения живого, приходится допустить, что начала жизни в том Космосе, какой мы наблюдаем, не было, поскольку не было начала этого Космоса. Жизнь вечна, поскольку вечен Космос, и передавалась всегда биогенезом». В нескольких работах Вернадского, в том числе в книге «Научная мысль как планетарное явление», развивается следующая мысль: «Живое вещество дает на нашей планете одно из самых тончайших, а может быть и самое тончайшее, дробление материи, сохраняющее свою отдельность в твердом или жидком состоянии, а потому оно может проникать всюду – уходить из земного притяжения. А жизнь в латентном состоянии – в спорах, семенах или цистах может сохраняться неопределенное время, возможно, геологические века». Вернадский был очень осторожен в своих суждениях, в той же работе у него есть такая фраза: «Положение жизни в научном мироздании нам совсем не ясно». Д.А. Гранин в своей документальной повести «Зубр» рассказывает, что в беседах Вернадского с русским генетиком Н.В. Тимофеевым-Ресовским на проблему происхождения жизни было наложено табу, но его сокровенной идеей была жизнь, привнесенная на нашу планету из Космоса.

Настоящий переворот во взглядах на происхождение живой материи произошел после появления работы молодого биохимика А.И. Опарина.

Небольшая книга «Происхождение жизни», вышедшая в 1924 г. в издании «Московского рабочего» и оказавшая столь сильное влияние на развитие современной науки, состоит из пяти частей. Идеи, высказанные в этой книге, легли в основу почти всех современных теорий возникновения жизни.

Первые две части посвящены истории проблемы происхождения жизни.

В третьей главе «Мир живого и неживого» Опарин впервые высказывает мысль о том, что жизнь тесно связана и, более того, схожа с коллоидным и студнеобразным состоянием вещества. Именно это предположение нашло затем дальнейшее развитие в изучении знаменитых коацерватных капель.

В этой же главе Опарин вводит несколько критериев, отличающих живое от неживого: раздражимость, обмен веществ, воспроизведение себе подобных. В конце главы автор делает необычный для своего времени вывод, состоящий в том, что «жизнь характеризуется не какими-либо определенными свойствами, а особенной специфической комбинацией этих свойств».

Но основной вклад Опарина в науку сделан в двух последних разделах книги: «От разрозненных элементов к органическим соединениям» и «От органического вещества к живому существу». Именно в этих главах впервые была сделана попытка объяснить возникновение органических соединений на изначально «стерильной», безжизненной Земле естественным путем, например, при взаимодействии карбидов металлов с водой при высокой температуре поверхности ранней Земли.

Эта конкретная схема Опарина претерпела значительные изменения за последующие десятки лет. Но сама идея непрерывного усложнения органических соединений, приведшего в конце концов к возникновению жизни, послужила основой современной науки о происхождении жизни. Эта идея получила название принципа непрерывности.

В последней главе Опарин предлагает считать первыми живыми организмами маленькие обособленные кусочки органического геля.

Проблемы передачи наследственной информации в работах Опарина затронуты не были.

Пять лет спустя, в 1929 г. английский биохимик Д. Холдейн опубликовал короткую статью «Возникновение жизни». В этой статье ученый обрисовал все важнейшие аспекты проблемы происхождения жизни.

Холдейн впервые подчеркнул важность задачи переноса генетической информации при рассмотрении вопроса о происхождении жизни. Впервые также он указал на ультрафиолетовое излучение Солнца как источник образования органических соединений из атмосферных газов.

С работой Опарина Холдейн не был знаком, и поэтому его также с полным основанием можно считать основателем принципа непрерывности.

Новая гипотеза, состояла в том, что условия, в которых возникла жизнь, отличались от условий, в которых жизнь существует сейчас. Эти отличия касались главным образом состава атмосферы. Земля единственная среди планет нашей солнечной системы имеет атмосферу, в которой преобладающую роль играет кислород. Опарину и Холдейну давно было ясно, насколько это обстоятельство важно для всей постановки вопроса о возникновении жизни.

Нынешняя земная жизнь делится на две большие категории: животные, дышащие кислородом, и растения, способные к выработке кислорода путем фотосинтеза. Животные могут жить в темноте, но для дыхания им просто необходим или свободный воздух, или кислород, растворенный в воде. Растениям не нужен кислород, они сами образуют его на свету, но они не способны подолгу жить и расти в темноте. Какая из этих форм жизни возникла первой? Может обеим этим формам предшествовала какая-то третья? Последнее предположение в настоящее время кажется почти очевидным. Подробное изучение животных и растений приводит к выводу, что они являются потомками общих прародителей, зоофитов. Зоофиты, по-видимому, напоминали современных бактерий, которые способы одновременно выполнять как животные, так и растительные функции, т.е. осуществлять и окисление, и фотосинтез.

Еще в середине XIX в. Л. Пастер в своих исследованиях по брожению показал, что жизнь возможна и без кислорода. У организмов, живущих в анаэробных, т.е. бескислородных, условиях, обмен веществ основан на процессах брожения, а не окисления.

Холдейн высказал предположение, что жизнь возникла на планете, в атмосфере которой не было кислорода: поскольку в примитивной атмосфере было очень мало кислорода, а может быть, и не было вовсе, первоначальные формы жизни добывали необходимую им для роста энергию не за счет окисления, а за счет брожения. Ибо, как говорил Пастер, брожение - это жизнь без кислорода. В таком случае следовало бы ожидать, что высшие организмы, подобные человеку, должны начинать жизнь как анаэробные существа, подобно тому, как они начинают свое развитие с одной клетки.

В своей книге «Происхождение жизни» Опарин не придерживался этой мысли. Но позднее, в 1936 г., он уже писал: «И в настоящее время присутствие свободного кислорода в первоначальной земной атмосфере считается очень маловероятным». Не подлежит никакому сомнению, что молекулярный кислород, который мы наблюдаем в современной нам атмосфере, образовался вторично, значительно позднее разбираемой нами эпохи благодаря жизнедеятельности организмов.

Эти взгляды получили мощную поддержку со стороны астрономии и химии. Бескислородная атмосфера, состоящая из метана и аммиака, была обнаружена спектральными методами на Юпитере и Сатурне.

Если Земля когда-то имела атмосферу такого состава, то более сложные соединения должны были образовываться из этих двух газов (т.е. из метана и аммиака). Источником энергии служило ультрафиолетовое излучение Солнца, проходящее через эти газы, прозрачные для коротковолнового излучения.

Современная атмосфера Земли задерживает коротковолновую часть солнечного спектра, так как присутствующий в атмосфере кислород под действием ультрафиолетовых лучей превращается в озон, эффективно поглощающий ультрафиолетовые лучи. Теперь можно ответить на вопрос, почему жизнь в настоящее время не зарождается на Земле самопроизвольно. Дело здесь в отсутствии необходимых для этого ультрафиолетовых лучей. Возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена.

Большое количество данных говорит о том, что средой возникновения жизни могли быть прибрежные районы океанов и морей. Именно здесь, на стыке моря, воздуха и суши создавались хорошие условия для образования сложных органических соединений. Например, растворы некоторых органических веществ (спиртов, сахаров) могут существовать неограниченно долгое время.

В концентрированных растворах белков, нуклеиновых кислот могут образовываться так называемые коацерваты или коацерватные капли – сгустки, похожие на водные растворы желатина. Коацерваты способны поглощать различные вещества. Из раствора в них поступают химические соединения, которые преобразуются в результате реакций, происходящих в коацерватных каплях, и выделяются в окружающую среду.

Коацерваты проявляют внешнее сходство с такими признаками живых организмов, как рост и обмен веществ с окружающей средой, однако это еще не живые существа. Поэтому возникновение коацерватов рассматривают как стадию развития преджизни (рис. 5).

prolive4

Рис. 5. Образование коацерватной капли

Коацерваты претерпели длительный отбор на устойчивость структуры, которая была достигнута вследствие создания ферментов, контролирующих синтез тех или иных соединений.

Наиболее важным этапом в происхождении жизни было возникновение механизма воспроизведения себе подобных и наследования свойств предыдущих поколений. Это стало возможным благодаря образованию сложных комплексов нуклеиновых кислот и белков. Нуклеиновые кислоты, способные к самовоспроизведению, стали контролировать синтез белков, определяя в них порядок аминокислот. А белки-ферменты осуществляли процесс создания новых копий нуклеиновых кислот.

Так возникло главное свойство, характерное для жизни, - способность к воспроизводству подобных себе молекул. Хотя эту гипотезу происхождения жизни признают очень многие ученые, астроном Ф. Хойл недавно высказал мнение, что мысль о возникновении живого в результате описанных выше случайных взаимодействий молекул «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке Боинга-747».

Один из классических экспериментов по доказательству данной теории был проведен в Чикагском университете в 1953 г. С. Миллером совместно с Г. Юри (рис. 6). Они пропускали электрическую искру через смесь метана, аммиака, водорода и паров воды, представлявших собой компоненты первичной атмосферы Земли. В пятилитровый сосуд были помещены электроды, а разряд вызывался с помощью небольших трансформаторов Тесла. Поток пара от кипящей воды обеспечивал в системе циркуляцию газовой смеси.

Эксперимент продолжался в течение недели, после чего воду, в которой образовались органические вещества, подвергли анализу. Результаты превзошли все ожидания. Оказалось, что таким образом был синтезирован ряд веществ, имеющих отношение к жизни. Среди них были найдены четыре аминокислоты, свойственные обычно белкам: глицин, аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Найдены некоторые простейшие жирные кислоты, а также муравьиная, уксусная. Кроме того, обнаружена мочевина – вещество, играющее важную роль в биологических процессах.

IMG_0008

Рис. 6. Схема экспериментальной установки Стэнли Миллера

Современная теория возникновения жизни на Земле, называемая теорией биопоэза, была сформулирована в 1947 г. английским ученым Дж. Берналом. Он выделил три стадии биопоэза.

Первая стадия соответствует возрастанию сложности молекул и молекулярных систем, которым суждено было в конечном счете включиться в живые системы. На первой стадии произошло формирование предорганизменных молекул из метана, аммиака и воды. Эти газы обнаруживаются в молекулярной форме в космическом пространстве (в более холодных частях Вселенной) и сейчас. Первая стадия могла осуществиться во многих местах, из них нам достоверно известны только Земля и метеориты астероидного происхождения. Таким местом могло быть и первичное пылевое облако.

На второй стадии из компонентов опаринского «первичного бульона», состоявшего главным образом из только что упомянутых молекул, а также из более сложных молекул, образовывались полимеры путем соединения в линейном порядке сходных или идентичных мономеров. На какой-то решающей стадии в процессе эволюции таких полимеров, являющихся, по-видимому, более простыми аналогами существующих ныне нуклеиновых кислот и белков, должен был возникнуть механизм строгой репродукции и репликации, который рассматривается многими биологами как важная отличительная особенность самой жизни. Пока что ученые могут лишь логически реконструировать те процессы, которые могли бы привести к этому в условиях, по-видимому, существовавших в то время на Земле, т.е. в присутствии воды в свободном состоянии, а также молекул газов и ионов металлов в растворе. Трудно представить себе, чтобы все это могло происходить на таких безводных небесных телах, как Луна, или тем более на метеоритах астероидного происхождения, содержащих воду лишь в виде льда.

На третьей стадии, которая, по-видимому, связана со второй стадией постепенными переходами, происходит образование из описанных выше элементов (путем биохимических и структурных превращений) самых простых, какие только можно себе представить, организмов. Это предполагает образование таких специализированных компонентов клетки, как митохондрии, рибосомы, различные мембраны, органеллы, ответственные за форму, структуру и функционирование клетки. Из этих элементов и были построены самые первые примитивные клетки - самые простые самостоятельные формы жизни. Еще более мелкие и простые современные организмы - вирусы - способны только к паразитическому существованию; весьма вероятно, что эта форма жизни – лишь результат дегенерации клетки.

Согласно теории биопоэза, космос – химически весьма благоприятная среда для возникновения сложных органических соединений. Весьма вероятно, как предположил Дж. Бернал, поверхностные свойства твердых тел, соприкасавшихся с водой, имели немаловажное значение для возникновения жизни на Земле и для ее развития на ранних стадиях. Еще ранее эта мысль была четко сформулирована и развита микробиологом Н.Г. Холодным. Общеизвестно, что организмам гораздо легче жить на поверхности раздела сред, особенно если одна из сред твердая. Но и на границе воздух – вода (в стоячих лужах и болотах) довольно обильно развиваются микроорганизмы. Позже В. Флоровская и ее сотрудники пришли к выводу: самые сложные соединения добиологической эволюции материи должны создаваться на твердой поверхности в тонкой пленке воды, насыщенной органическим веществом, при быстром падении температуры. И еще одно условие: внезапное облучение на конечной стадии синтеза ультрафиолетовыми лучами. В этот момент могут образоваться не только порфирины - родственники гемоглобина и хлорофилла, но и белок. А на самой конечной стадии – сополимер, гигантская молекула, объединяющая в себе белок и порфирин. Флоровская назвала сополимер «эмбрино».

Таким образом, гипотез о возникновении жизни на Земле выдвинуто очень много, однако большинство из них порождают больше вопросов, чем ответов. Многие из них основаны на домыслах. Знания в данной области с каждым днем обновляются и так же быстро успевают устаревать.