3. Основные концепции происхождения жизни

Вопрос происхождения жизни остается одним из принципиальных в биологии. По ряду оснований выделяют следующие классификации концепций происхождения жизни:

А. Концепции создания жизни на Земле (концепции творения):

а) классический креационизм;

б) эволюционный креационизм.

Б. Концепции независимого происхождения жизни на Земле (концепции автономии):

а) концепция самопроизвольного зарождения жизни;

б) концепция биохимической эволюции (теория Опарина); случайный эволюционизм Дарвина-Уоллеса; синтетическая эволюция; в) направленный эволюционизм: номогенез, концепция Геи-Земли, концепция коэволюции.

В. Концепции появления жизни на Земле (концепции панспермии или привнесения):

а) случайная панспермия;

б) направленная панспермия.

Креационизм объясняет происхождение жизни путем сверхъестественного творения. В результате креационного акта жизнь была создана однажды во всех ее многообразных формах и только на Земле. Эта позиция имеет свои подтверждения в виде различного рода описаний в Библии, Коране, Торе и других канонических книгах. Однако классический креационизм входит в противоречие с достижениями современной палеонтологии и антропологии. Попытка снятия противоречий привела к возникновению эволюционного креационизма, который не отрицает создание жизни в определенный период Богом, но признает последующее эволюционное развитие всех форм жизни на Земле.

Концепция самопроизвольного зарождения жизни предполагает, что жизнь неоднократно может возникать на Земле из неживого вещества спонтанно. Эта концепция имеет глубокие исторические корни, но уже в XVII веке был сформулирован принцип «живое от живого» (итальянский врач Ф.Реди (1626-1698)), который стал основой концепции биогенеза, утверждавшей невозможность появления жизни из неживого вещества в различные исторические периоды. Французский микробиолог Л.Пастер (1822-1895) экспериментально доказал несостоятельность теории спонтанного зарождения жизни, однако и в XIX веке вопрос о возникновении жизни не нашел обоснованного ответа.

Концепции биохимической эволюции жизни из предбиологических форм в настоящее время имеют самое широкое распространение в науке. Ведется активный поиск экспериментальных доказательств средствами биохимических, биомолекулярных и генетических методов, а также средствами таких наук как: палеонтология, анатомия, математическое моделирование, сравнительная эмбриология.

Учитывая продолжительность господства креационизма, идеи которого имели самое широкое распространении вплоть до XIX столетия, теории эволюционного развития живой материи только сейчас завоевывают массовое сознание.

На основе накопленного палеонтологией научного материала французский биолог Ж.Кювье (1769-1832) предложил «теорию катастроф» в качестве обоснования развития видов живых организмов. Ведущая идея теории катастроф Кувье состоит в том, что геологическая история Земли связана с периодическими событиями, меняющими рельеф и климат Земли, что приводит к уничтожению флоры и фауны.

В настоящее время имеется подтверждение факту существования жизни на Земле около 4-х миллиардов лет. Предполагается, что около 2-х миллиардов лет назад произошла первая катастрофа, в ходе которой БИОС претерпел ароморфозные изменения, т.е. анаэробные одноклеточные прокариоты, способные существовать в безкислородной среде, были вытеснены аэробными фотосинтезирующими организмами. На протяжении последующего длительного периода развития биосферы БИОС был представлен эукариотическими формами с высоким уровнем организации. Предположительно 250 миллионов лет назад на Земле произошла следующая крупная катастрофа, повлекшая гибель более 90% видов живых организмов. Скорее всего это было связано с вулканической активностью. В меловом периоде планету поразил следующий кризис, результатом которого стало исчезновение динозавров – загадочных представителей фауны. Разгадку этой катастрофы еще предстоит найти науке.

Современная теория катастроф основывается на том, что развитие Земли сопровождается биотическими кризисами (катастрофами), которые проявляются в виде принципиальных араморфозных изменений и увеличением видообразования в новых условиях. Следовательно история биосферы может быть представлена как развитие к высшим формах организации жизни, обладающим сложной биотической структурой.

Особого внимания заслуживает общепризнанная теория происхождения жизни, предложенная А.И. Опариным (1894-1980) в 1924 году в книге «Происхождение жизни». Эта теория относится к числу теорий биохимической эволюции природы и имеет определенное научное подтверждение на уровне эксперимента. В соответствии с предположением А.И. Парина жизнь является результатом исторического одностороннего развития материи в виде постепенного усложнения органических субъединиц и формирования на их основе сложных систем, обладающих свойствами живого.

Современная наука считает, что возраст Земли составляет 4,5-5 миллиардов лет. Механизм формирования планеты объясняется гравитационными взаимодействиями облаков космической пыли. В настоящее время атмосфера Земли состоит из азота (78%), кислорода ( 21%) и некоторых других газов ( 1%). В историческом прошлом она состояла из водяных паров, водорода, аммиака и метана. По мере остывания Земли процессы испарения и конденсации воды приобретали устоявшийся циклический характер, что существенным образом повлияло на процесс формирования жизни. С точки зрения теории А.И. Опарина жизнь возникла в несколько стадий. На первой стадии в атмосфере произошло формирование простейших углеводородов примерно около 3-3,5 миллиардов лет назад. В ходе второй стадии происходило освобождение углеводородов в атмосферу Земли, где они могли реагировать с водяными парами, аммиаком и другими газами. Под влиянием ультрафиолетового излучения реакции с участием углеводородов интенсифицировались. Под влиянием солнечного излучения могло происходить и разложение воды на кислород и водород. В процессе окисления углеводородов в присутствии других газов (аммиак,метан) образовывались органические кислоты, вместе в дождями они попадали на поверхность Земли. В ходе процессов абиогенной полимеризации и конденсации эти соединения по химическому строению постепенно приближались к белкам, нуклеиновым кислотам и аденозинтрифосфорной кислоте, которые лежат в основе живых организмов. Возникает в виде морей и океанов «первичный бульон», где стало возможным дальнейшее усложнение белковых структур.

На третьей стадии именно в «первичном бульоне» происходило образование коацерватных капель (от латинского acervatus – нагроможденный), которые приобретали свойства открытых систем, способных взаимодействовать со средой. Теория биохимического происхождения жизни считает, что кооцервация органических субстанций являлась мощным средством концентрации высокомолекулярных соединений, растворенных в мировом океане. В дальнейшем шло совершенствование и повышение устойчивости коацерватов, формирование их обособленного существования по отношению к среде.

На четвертой стадии у коацерватов совершенствовался метаболизм, синтезировались и упорядочивались мембраны, возникало биологическое взаимодействие между нуклеиновыми кислотами и белками, приводящее к возникновению первичных организмов. Из-за отсутствия кислорода в примитивной земной атмосфере метаболизм первичных организмов имел анаэробный характер. Скорее всего, первичными организмами были гетеротрофы, питающиеся органическими веществами из океана. В процессе истощения запасов органических веществ преимущество получали те организмы, которые могли использовать солнечную энергию и создавать органические соединения из углерода. В результате отбора в условиях повышенной концентрации СО₂ в среде возник биологический путь синтеза органических веществ – фотосинтез. По данным, полученным на основе анализа цианобактерий, можно заключить, что это произошло около 3,5·10⁹ лет назад. Распространение фотосинтеза привело в последствии к разделению организмов на растения и животных. Прогрессивное развитие первичных организмов и естественный отбор стали условиями появления автотрофов, использующих солнечную энергию для получения органических соединений из неорганических. Дальнейший непрерывный синтез органических соединений и появление свободного газообразного кислорода в атмосфере полностью видоизменило все жизненные процессы на Земле.

Близкие взгляды на происхождение жизни высказывали и такие ученые как: Н.Г. Холодный (1882-1953)- известный русский ученый; Д.Бернал (1901-1971_ - известный английский ученый и др. Отличия между биохимической теорией А.И. Опарина и других ученых сводятся к частностям, уточнение которых в условиях современной науки пока не осуществимы на экспериментальном уровне.

Теория биохимического происхождения жизни получила в XX веке мировое признание именно благодаря наличию ряда экспериментальных доказательств ее основных положений. В 1953 г. Американский ученый С.Миллер использовал модель древней атмосферы, пропуская электрический разряд через газовую смесь, содержащую метан, водород, аммиак и водяные пары. В процессе экспериментальной работы С. Миллер получил абиотическим путем аминокислоты (глицин, аланин), а также ряд органических кислот. В экспериментах других ученых использовалось ультрафиолетовое излучение и тепло, что позволило получить ряд других аминокислод, полисахаридов и азотистых оснований. Важную роль в подтверждении теории А.И. Опарина сиграли экспериментальные работы американского ученого С. Фокса, которые он провел 1977г., показав возможность абиотического получения протеноидов, которые могут служить субстратами полипептидов.

Таким образом, в основе современных представлений о происхождении жизни лежит теория биохимического синтеза органических веществ из неорганических (теория А.И. Опарина). Однако есть ряд принципиальных вопросов, которые еще ждут своего решения, что позволит более точно понять механизмы происхождения живых организмов.

По-прежнему ряд ученых придерживается взглядов о неземном происхождении жизни. Впервые гипотеза панспермии была предложена немецким ученым биологом Г.Рихтером в конце XIX века. Концепция панспермии (от греческого pan –весь, sperma – семя) допускает возможность происхождения жизни в разное время в разных частях Вселенной, а также ее переноса различными путями на Землю или другие планеты.

Современные космологические исследование дают основания предполагать возможность образования органических веществ химическим путем в условиях космоса. В 1975г. В лунном грунте были обнаружены предшественники аминокислот. Близкие к аминокислотам соединения обнаружены в настоящее время в межзвездных облаках, а в ставе метеоритов найдены вода, спирты и некоторые кислоты. Идее панспермии поддерживали ученые не только конца XIX столетия, но и начала XX века, а именно известный шведский физик С. Аррениус (1859-1927) в 1907г. В своих работах описывал вероятные сценарии этого явления.

Параллельно развивалась и гипотеза направленной панспермии, авторами которой считаются Ф.Крик и Л.Оргел. Благодаря книге «Жизнь как она есть:ее зарождение и сущность», данная теория получила распространение в массовом сознании. С точки зрения Ф.Крика и С.Оргела жизнь может быть целенаправленно занесена на Землю в виде бактериальной формы более высокоразвитой цивилизацией.

4. Современные трактовки эволюционной теории (концепции номогенеза, Геи-Земли, коэволюции природы и общества)

Творцом первой научной теории эволюции природы стал великий английский ученый Ч. Дарвин (1809-1882),который опубликовал книгу «Происхождение видов путем естественного отбора или сохранения благоприятствующих пород в борьбе за жизнь» (1859).

Эволюционное учение Ч.Дарвина состоит из трех разделов: совокупность доводов в пользу того, что историческое развитие организмов имеет место; положение о движущих силах эволюции; представление о путях эволюционных преобразований.

Ч.Дарвин использовал данные разных наук для того, чтобы показать реальность эволюции в природе. Значительную часть доказательств он взял из палеонтологии. Например, он провел анализ информации о обнаруженных в древних слоях ископаемых останках животных, показав постепенное увеличение сходства останков организмов более поздних слоев с существовавшими в его время. Ч.Дарвин использовал данные эмбриологии, чтобы показать единство происхождения организмов, а также закономерности распределения живых организмов в зависимости от их структурной и функциональной организации. Кроме того большой материал для его заключений представляла сельскохозяйственная практика.

В качестве движущих сил эволюции Ч.Дарвин называл наследственность, изменчивость и естественный отбор, которые служили механизмами фиксации и трансформации изменений в поколениях живых организмов. Ч.Дарвин сформулировал общие представления о естественном отборе, в основе которого лежит межвидовая и внутривидовая борьба за выживание. Именно естественный отбор он считал ведущей движущей силой эволюции.

Основу представлений ученого о путях эволюции составляет положение о дивергенции (расхождении) признаков. На основе дивергенции происходит отклонение признаков, но наибольшее отклонение позволяет приспособиться к изменившимся условиям среды. Таким образом, дивергенция создает новые виды, которые в ходе естественно отбора проявляют органическую целесообразность. Учение Ч.Дарвина распространялось на крупные таксоны живых организмов и поэтому является учением о макроэволюции. Проблемой этой теории является ее недостаточная обоснованность с точки зрения генетики.

Однако уже в начале XX века были сделаны первые научные открытия, повлиявшие на объединение дарвинизма с генетической теорией. В 1908г. Сформулирован закон Дж.Харди- В.Вайнберга, который говорит о стабилизации частот генов бесконечно большой панмиксической популяции при отсутствии давления каких-либо внешних факторов. Из закона следует вывод о том, что генетические изменения не исчезают, а сохраняются в генофонде.

В 20-х годах XX столетия С.С. Четвериков (1880-1959) показал, что мутации служат основой эволюционных процессов, идущего под влиянием естественного отбора. Дальнейшие генетические исследования еще более тесно связали эволюцию и генетику.

Теорию Ч.Дарвина и А.Р. Уоллеса называют случайным эволюционизмом, поскольку в ней большое значение придается вероятности зарождения жизни в ходе протекания химических и физических процессов при определенных условиях. В начале XX столетия возник неодарвинизм,в рамках которого была сформулирована синтетическая теория эволюции. Эта теория объединила классический дарвинизм к его естественным отбором и борьбой за выживание и достижения развивающейся генетики.

Современные трактовки эволюционного учения существенно усложнились и основываются на идеях самоорганизации живой материи, ее системности, целенаправленности и целостности. Наиболее научно обоснованными концепциями направленного эволюционизма (закономерного эволюционизма) являются следующие: концепция номогенеза; гипотеза Геи-Земли; идея коэволюции живой и неживой природы.

Несмотря на широкое распространение теории А.И. Опарина проблема случайности тревожит науку. В качестве альтернативы случайности в начале XX века была сформулирована теория номогенеза, сущность которой состоит в закономерности, запрограммированности и целенаправленности эволюционного процесса (П.А. Крапоткин, Л.С. Берг). Основная закономерность эволюции состоит в постепенном усложнении морфофизиологической организации живого. Авторы этой теории считают, что роль борьбы за существование в природе не так значительна, как стратегии взаимопомощи, поддержки, кооперации в животном и растительном мире. Выживает не сильнейший, а тот, кто разделяет действия, направленные на сохранение устойчивости определенной группы (индивидуальная жизнь в природе скорее исключение, чем правило).

В основу гипотезы Гея-Земля положены идеи американского ученого биохимика Джеймса Лавлока и английского микробиолога Линн Маргулис. Именно эти ученые в 70-е годы прошлого столетия написали ряд работ по симбиогенезу. Они считают, что совместное происхождение и развитие клеточных организмов происходило путем постепенного усложнения, объединения их вещества и наследственного материала. По сути в работах по симбиогенезу просматривается мысль о том, что Земля представляет собой сложную самоорганизующуюся систему, которая сама способна решать проблемы и выбирать пути развития. Роль антропоса при этом незначительна. А техногенная деятельность человека не способна поддерживать равновесие этой целостной системы.

Сущность теории коэволюции (Н.В. Тимофеев-Ресовский, Н.Н. Моисеев и др.) состоит в том, что в ней принимается во внимание совместное равноценное, а не приоритетное развитие биоантропосистемы. Гланой задачей этой теории является поиск равновесных состояний между БИОСом и деятельностью человеческой цивилизации. В рамках данной концепции большое внимание уделяется расшифровке механизма перехода от неживых форм материального мира к живому веществу. Предполагается, что геохимическая эволюция Земли сопряжена с биогенными процессами зарождения жизни, что означает коэволюцию живого и минерального миров, их взаимную обусловленность.