Концепция возникновения жизни на Земле

Рассматривая проблему возникновения  жизни путем биохимической эволюции, Опарин выделяет три этапа перехода от неживой материи к живой:

1. синтез исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы первобытной Земли;

2. формирование в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров, липидов, углеводородов;

3. самоорганизация сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процесса обмена веществ и воспроизводства органических структур, завершающееся образованием простейшей клетки.

Несмотря на всю экспериментальную  обоснованность и теоретическую  убедительность, концепция Опарина  имеет как сильные, так и слабые стороны.

Сильной стороной концепции  является достаточно точное соответствие ее химической эволюции, согласно которой  зарождение жизни есть закономерный результат добиологической эволюции материи. Убедительным аргументом в пользу этой концепции выступает также возможность экспериментальной проверки ее основных положений. Это касается лабораторного воспроизведения не только предполагаемых физико-химических условий первичной Земли, но и коацерватов, имитирующих доклеточного предка и его функциональное особенности.

Слабая сторона концепции - это невозможность объяснить  сам момент скачка от сложных органических соединений к живым организмам - ведь ни в одном из поставленных экспериментов получить жизнь так  и не удалось. Кроме того, Опарин допускает возможность самовоспроизведения  коацерватов при отсутствии молекулярных систем с функциями генетического  кода. Иными словами, без реконструкции  эволюции механизма наследственности объяснить процесс скачка от неживого к живому невозможно. Поэтому сегодня считается, что решить эту сложнейшую проблему биологии без привлечения концепции открытых каталитических систем, молекулярной биологии, а также кибернетики не получится.

4. Экспериментальное подтверждение возможного самозарождения жизни на планете С. Миллера.

4,5 миллиарда лет назад,  когда возникла Земля, она представляла  собой раскаленный безжизненный  шар. Сегодня же на ней в  изобилии встречаются разные  формы жизни. В связи с этим  возникает вопрос: какие изменения происходили на нашей планете с момента ее образования и по сегодняшний день, и главное — как на безжизненной Земле возникли молекулы, образующие живые организмы? В 1953 году в Чикагском университете был поставлен эксперимент, сегодня ставший классическим. Он указал ученым путь к ответу на этот фундаментальный вопрос. 
В 1953 году Гарольд Юри был уже Нобелевским лауреатом, а Стэнли Миллер — всего лишь его аспирантом. Идея эксперимента Миллера была простой: в полуподвальной лаборатории он воспроизвел атмосферу древнейшей Земли, какой она была по мнению ученых, и со стороны наблюдал за тем, что происходит. При поддержке Юри он собрал простой аппарат из стеклянной сферической колбы и трубок, в котором испарявшиеся вещества циркулировали по замкнутому контуру, охлаждались и вновь поступали в колбу. Миллер заполнил колбу газами, которые, по мнению Юри и русского биохимика Александра Опарина (1894–1980), присутствовали в атмосфере на заре формирования Земли, — водяным паром, водородом, метаном и аммиаком. Чтобы сымитировать солнечное тепло, Миллер нагревал колбу на бунзеновской горелке, а чтобы получить аналог вспышек молний — вставил в стеклянную трубку два электрода. По его замыслу, материал, испаряясь из колбы, должен был поступать в трубку и подвергаться воздействию электрического искрового разряда. После этого материал должен был охлаждаться и возвращаться в колбу, где весь цикл начинался вновь.

После двух недель работы системы  жидкость в колбе стала приобретать  темный красно-коричневый оттенок. Миллер провел анализ этой жидкости и обнаружил  в ней аминокислоты — основные структурные единицы белков. Так  у ученых появилась возможность  изучать происхождение жизни  с точки зрения основных химических процессов. Начиная с 1953 года с помощью  усложненных вариантов эксперимента Миллера—Юри, как стали его с тех пор называть, были получены все виды биологических молекул — включая сложные белки, необходимые для клеточного метаболизма, и жировые молекулы, называемые липидами и образующие мембраны клетки. По-видимому, тот же результат мог бы быть получен и при использовании вместо электрических разрядов других источников энергии — например, тепла и ультрафиолетового излучения. Так что почти не остается сомнений в том, что все компоненты, необходимые для сборки клетки, могли быть получены в химических реакциях, происходивших на Земле в древнейшие времена.

Ценность эксперимента Миллера—Юри состоит в том, что он показал, что вспышки молний в атмосфере древней Земли за несколько сот миллионов лет могли вызвать образование органических молекул, попадавших вместе с дождем в «первичный бульон» (см. также Теория эволюции). Не установленные до сих пор химические реакции, происходящие в этом «бульоне», могли привести к образованию первых живых клеток. В последние годы возникают серьезные вопросы по поводу того, как развивались эти события, в частности подвергается сомнению присутствие аммиака в атмосфере древнейшей Земли. Кроме того, предложено несколько альтернативных сценариев, которые могли привести к образованию первой клетки, начиная от ферментативной активности биохимической молекулы РНК и кончая простыми химическими процессами в океанских глубинах. Некоторые ученые даже предполагают, что происхождение жизни имеет отношение к новой науке о сложных адаптивных системах и что не исключено, что жизнь — это неожиданное свойство материи, возникающие скачкообразно в определенный момент и отсутствующее у ее составных частей. В наши дни эта область знаний переживает период бурного развития, в ней появляются и проходят проверку различные гипотезы. Из этого водоворота гипотез должна появиться теория о том, как же возникли наши самые далекие предки.

ЛУИ ПАСТЕР

Луи Пастер занялся проблемой  происхождения жизни в 1860 году. К  этому времени он уже многое сделал в области микробиологии и  сумел разрешить проблемы, угрожавшие шелководству и виноделию. Он доказал  также, что бактерии вездесущи и  что неживые материалы легко  могут быть заражены живыми существами, если их не стерилизовать должным образом. Рядом опытов он показал, что всюду, а в особенности около человеческого жилья, в воздухе носятся мельчайшие зародыши. Они так легки, что свободно плавают в воздухе, лишь очень медленно и постепенно опускаясь на землю.

В результате ряда экспериментов, в основе которых лежали методы Спланцани, Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения.

Таинственное появление  микроорганизмов в опытах предыдущих исследователей Пастер объяснял или  неполным обеспложиванием среды, или  недостаточной защитой жидкостей  от проникновения зародышей. Если тщательно  прокипятить содержимое колбы и  затем предохранять его от зародышей, которые могли бы попасть с  притекающим в колбу воздухом, то в ста случаях из ста загнивания жидкости и образования микробов не происходит.

Для обеспложивания притекающего в колбу воздуха Пастер применял самые разнообразные приемы: он или прокаливал воздух в стеклянных и металлических трубках, или защищал горло колбы ватной пробкой, в которой задерживаются все мельчайшие частицы, взвешенные в воздухе, или, наконец, пропускал воздух через тонкую стеклянную трубку, изогнутую в виде буквы S, - в этом случае все зародыши механически задерживались на влажных поверхностях изгибов трубки.

Колбы с S-образным горлышком, использованные в опытах Луи Пастера:

А - в колбе с изогнутым  горлышком бульон долгое время остаётся прозрачным (стерильным); Б - после удаления S-образного горла в колбе наблюдается  бурный рост микроорганизмов (бульон мутнеет).

Всюду, где защита была в  достаточной степени надежной, появление  микробов в жидкости не наблюдалось. Но, может быть, продолжительное  нагревание химически изменило среду и сделало ее непригодной для поддержания жизни? Пастер легко опроверг и это возражение. Он бросал в обеспложенную нагреванием жидкость ватную пробку, через которую пропускался воздух и которая, следовательно, содержала зародышей,-- жидкость быстро загнивала. Следовательно, прокипяченные настои являются вполне подходящей почвой для развития микробов. Это развитие не происходит только потому, что нет зародыша. Как только зародыш попадает в жидкость, так сейчас же он прорастает и дает пышный урожай.

Опыты Пастера с несомненностью показали, что самозарождения микробов в органических настоях не происходит. Все живые организмы развиваются  из зародышей, т. е. берут свое начало от других живых существ. 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. Так как же зародилась на Земле жизнь?

5. Синтез ДНК как качественный скачок от неживого к живому.

 Действительно, органические  соединения обнаружены и телах Солнечной системы, в частности в некоторых типах метеоритов. Метеориты, выпадая на поверхность сформировавшейся Земли, обогащали ее органическими соединениями, которые могли включаться в дальнейшую химическую эволюцию.

Сейчас достоверно известно, что химическая эволюция соединений углерода протекает практически  на всех космических объектах, но уровня, необходимого для возникновения  предклеточных структур и, далее, первичных организмов, такая эволюция, по мнению ученых, может достигнуть лишь на планетах типа Земли.

Наиболее сложен для объяснения вопрос: как в процессе химической эволюции произошло объединение  двух функций — каталитической, присущей белкам-ферментам, и информационно-генетической, которую выполняют нуклеиновые  кислоты (ДНК). Ведь только в этом случае возможен качественный скачок от неживого к живому.

Сторонники химической эволюции считали, что на протяжении многих миллионов  лет в «первичном бульоне» происходили  постоянные взаимодействия различных  молекул, которые в конечном счете случайно привели к удачному сочетанию и образованию такого белковонуклеинового комплекса в пробионте.

Скептики же совершенно справедливо  отмечали, что вероятность такой  счастливой случайности практически  равна нулю. Возможно, ключ к пониманию  данной проблемы дадут открытия, сделанные  при изучении РНК. Считалось, что носителем генетической информации является только ДНК, но оказалось, что РНК также обладает «генетической памятью». 

Более того, некоторые РНК имеют явно выраженную каталитическую активность и способны к саморепродукции в отсутствие белковых ферментов.

Таким образом, древняя РНК могла совмещать в себе каталитические и информационно-генетические функции,что обеспечивало макромолекулярной системе способность к самор репродукции.

Если данное предположение верно, то, очевидно, дальнейшая эволюция шла в направлении РНК + белок —эДНК.

Таким образом, в настоящее время мы не можем считать, что проблема  

происхожденияжизни решена.Ученые продолжают искать наиболее перспективные пути ее решения.  
Большую роль в этих поисках могли бы сыграть данные космических исследований: теоретически жизнь возможна и в других областях Вселенной.

Заключение

В современном естествознании существует пять основных концепций  возникновения жизни: 1) креационизм - божественное сотворение живого; 2) концепция  многократного самопроизвольного  зарождения жизни из неживого вещества; 3) концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда; 4) концепция панспермии - внеземного происхождения жизни; 5) концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся естественнонаучным законам.

Первая концепция является религиозной и к науке прямого отношения не имеет. Хотя к нему близка концепция, согласно которой жизнь создана высшим разумом, находящимся вне Вселенной. Основывается она на отрицании возможности объяснить генезис жизни естественными причинами и направлена против концепции химической, предбиологической эволюции. В качестве основополагающего тезиса в данных концепциях рассматривается положение о том, что жизнь как на Земле, так и вообще где-либо во Вселенной не может возникнуть случайно. Жизнь представляет собой акт преднамеренного творения, что приводит к отождествлению современных космологических представлений с религиозными истинами, и для вечной, безграничной Вселенной характерно неизменное постоянство картин

В развитии учений о происхождении  жизни существенное место занимает теория, утверждающая, что все живое  происходит только от живого - теория биогенеза. Эту теорию в середине XIX века противопоставляли  ненаучным представлениям о самозарождении организмов (червей, мух и даже мышей) в болотах, в гниющей массе  и тому подобных местах. Однако как теория происхождения жизни биогенез несостоятелен, поскольку принципиально противопоставляет живое неживому, утверждает отвергнутую наукой идею вечности жизни. Абиогенез - идея о происхождении живого из неживого - исходная гипотеза современной теории происхождения жизни, опровергнутая французским микробиологом XIX в. - Луи Пастером, получившим за это премию в 1862 г. от Французской Академии наук.

Важно подчеркнуть, что в  настоящее время жизнь на Земле  не может возникнуть абиогенным путем. Возможность повторного возникновения  жизни на Земле исключена.

Еще Дарвин в 1871 г. писал: «Но если бы сейчас… в каком-либо теплом водоеме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном воздействию света, тепла, электричества и т.п., химически образовался белок, способный к дальнейшим все более сложным превращениям, то это вещество немедленно было бы разрушено и поглощено, что было невозможно в период возникновения живых существ».