1. Гіпотези походження життя
1.1 Біблійні уявлення і розвиток природознавства
Примирити біблійну картину витвори з еволюційними поглядами сучасної науки не настільки складно, якщо провести між ними чітке розділення. Біблія символічно виражає зв'язок природного світу з Творцем, а наука безпосередньо описує природу, відволікаючись від існування цього зв'язку. Але чи не втрачає від цього сама наука?
Думка про те, що природний світ не існував з самого початку, але був створений Творцем низкою послідовних актів творіння, стимулює глибокі наукові ідеї. У космології вона призвела до відкриття «антропного принципу», згідно з яким закони природи і весь Всесвіт влаштовані так, як ніби вони були спеціально створені для появи людини. Невеликі зміни в законах мікросвіту зробили б неможливим появу атомів. Існуючі закони електричної взаємодії дозволили виникнути складним молекулярним структурам. Закон всесвітнього тяжіння гарантує виникнення і стійкість Сонячної системи, що забезпечує потрібні кліматичні умови Землі.
Звичайно, визнання вченими «антропного принципу» не означає їхньої впевненості в тому, що світ був створений, а лише в тому, що вивчається наукою Всесвіт влаштована так, як якщо б вона створювалася спеціально для того, щоб у ній міг існувати людина. Цей факт допускає різні світоглядні інтерпретації.
Тут і відкривається цікава можливість перейти до принципово нових відносин між релігією і природознавством. Замість суперництва виникає співробітництво, яке можна пояснити такою аналогією. Палеонтологія дала величезний емпіричний матеріал, який можна інтерпретувати як сліди еволюційного процесу життя. Подібно до цього природознавство накопичило гігантський запас відомостей про пристрій фізичного світу і життя на Землі, який можна інтерпретувати як сліди Божественного акту творення. Антропний принцип у космології - це лише перша ластівка у можливому ряду таких подань.
Вся справа в тому, що наука дозволяє виявити в глибині відкритих безпосередньому спостереженню феноменів фундаментальні сутності. Ці сутності становлять реальність, зовсім не схожу на те, що безпосередньо бачить спостерігач. Класичне природознавство ще намагалося пояснити світ «видимих» явищ через наочні уявлення: взаємодія атомів, мислимих як звичайні частинки мініатюрних розмірів, або рух матеріальних субстанцій (теплорода або ефір), схожих за своїми властивостями на рідину або газ. Сучасна наука відмовилася від принципу подібності «глибинної» і спостерігається реальності. Сучасна фізика шукає пояснення в математичних структурах, позбавлених наочної інтерпретації (безкінечномірні простору, структури симетрій і т.п.). Біолог пояснює появу органічних форм через властивості генетичного коду, записаного в молекулярній будові ДНК і несе інформацію про ці форми. Глибинна («невидима») реальність як би несе в собі «задум Творця», що виявляється у феноменах, доступних спостереженню.
Вчений ставить собі за мету не просто пояснити одні явища через інші, але зрозуміти цей «задум». Для цього потрібна уява, здатність конструювати об'єкти, властивості яких зовсім не схожі на властивості речей, відкритих в безпосередньому досвіді. Знову-таки, не важливо, чи вірить даний конкретний дослідник в існування Творця. Об'єктивна логіка розвитку науки змушує вченого діяти так, як ніби він розгадує задум Творця, щоб зрозуміти феномен природи.
Вчений вільний тут змістити акцент: намагаючись зрозуміти якийсь феномен, він реконструює зумовив його фундаментальну реальність як відображений слід акту творення. Так, наприклад, концепція еволюції по Л.С. Бергу дозволяє ставити питання про розшифровку еволюційної програми перетворення генотипу, як деякої вихідної інформації, що виникає в акті творіння життя.
З цієї точки зору цікаво не стільки пояснити сам процес еволюції, скільки зрозуміти фактори, що визначають різноманіття живих форм. Тому самостійний інтерес набувають систематика, морфологія, генетика та ембріологія, що дозволяють виявити фундаментальні механізми, які лежать в основі еволюційного розвитку життя на Землі.
1.2 Час і вічність
Акт творіння відрізняється від еволюційного процесу не тільки своєю однократністю, але і тим, що створення світу відбувається у вічності, а еволюція триває в часі. Вічність - це зовсім не нескінченно триваюче час, але відсутність часу, подолання його. У вічності немає понять «раніше» і «пізніше», «коротше» і «довше». Сам час було створено разом зі світом. Тому немає сенсу ставити питання про те, скільки насправді тривав кожен із шести днів творіння. Проте, якщо цей «день» був ініційований певний етап еволюційного процесу, то тривалість етапу правомірно намагатися оцінити. Строго кажучи, не можна говорити про те, що перший день мав місце раніше другого або п `ятого, бо і той і інший відбулися не в часі, але у вічності. Нумерація цих днів характеризує, скоріше, їх логічну, а не тимчасову послідовність. Можна було б говорити про шість рівнях або «пластах» вічності, в лоні якої зародилося час.
Про подію, що відбувається у вічності, не можна сказати «воно було» або «воно буде». Ця подія є завжди - зостається повік. Послідовність днів творіння - це тільки спроба символічного співвідношення шести рівнів акту творення, як початкової точки відліку історичного часу (Ю. А. Шрейдер)
Якщо дні творіння інтерпретувати не як події на тимчасовій осі, але як пласти вічності, то ми прийдемо до уявлення про те, що ця тимчасова вісь розташовується як би всередині цих пластів. Вічність не тільки передує історичному часу, але і замикає тимчасову вісь (Ю. А. Шрейдер)
Така інтерпретація має певну опору в Апокаліпсисі, що розповідає про кінець земної історії. Якщо творіння світу завершується створенням людини, то історія має своїм безпосереднім фіналом суд над людиною, а етапи кінця світу, за об'явленням святого Іоанна Богослова, допускають зіставлення, принаймні, з трьома з етапів творення світу, але випливають у зворотному порядку.
Все це ще раз підкреслює, що уявлення про створення світу і його еволюційному розвитку в принципі не конкурують, але доповнюють один одного. Перше з них розглядає світ у перспективі вічності, яка дозволяє лише символічне опис, а друге - в перспективі історичного часу, що вимагає наукового пояснення. Проблема полягає в правильному співвідношенні обох перспектив для розуміння природних феноменів
1.3 Концепції виникнення життя
Зараз вже прочитані тисячі послідовностей білків і кодують їх генів і стає зрозуміло, що гени - не що інше, як випадкові послідовності з чотирьох нуклеотидів, які чергуються в різних комбінаціях. Лише в незначній частині ці послідовності «відредаговані» природним відбором для кращого виконання своїх функцій. Таке коригування не приховує явних слідів випадкового, стохастичного виникнення послідовності вихідної. Але чи міг ген, скажімо, гемоглобіну або цитохрому виникнути випадково?
Взагалі-то ця проблема аж ніяк не нова. Філософи ще в давнину задавалися питанням: чи можливо виникнення досить складної структури в результаті випадкових, стохастичних процесів? І всі давали негативну відповідь. Ще Цицерон вважав, що з випадково кинутих знаків абетки не можуть скластися «Аннали» Еннія.
Тепер цю проблему називають «парадоксом мільйона мавп»: за скільки років мільйон мавп, посаджених за друкарські машинки, надрукують повне зібрання творів Шекспіра чи хоча б одного «Гамлета»? «Мавпячий парадокс» переходить з одного філософського трактату в іншій: чи може мільйон людей, ніколи про Шекспіра не чули, написати «Гамлета»? Звідси недалеко до питання: а чи міг «Гамлета» написати сам Шекспір, якщо навіть мільйону людей це не під силу? І чи застосовна взагалі теорія ймовірностей до цієї категорії явищ?
Як бачите, почавши з питання про випадковість поєднань знаків в нуклеотидних послідовностях, ми прийшли до проблеми філософської, яка зачіпає корінні таємниці світобудови.
Ще в 1936 р. Н.К. Кольцов писав, що ймовірність випадкового виникнення поліпептиду з 17 амінокислотних залишків (гептакайдекапептіда) дорівнює одній трильйонної, і зробив з цього абсолютно правильний висновок: гени синтезуються не заново, а матричним шляхом. Але як виникла перша матриця?
Чи вистачає часу на виникнення першого гена - Протогена - випадковим шляхом, стохастичним перебором нуклеотидів? Згадаймо, що сонячна система - Сонце зі всіма планетами - сформувалася, за самими останніми оцінками, 4.6 млрд. років тому (плюс-мінус 0.1 млрд.). Перші сліди життя на Землі мають вік більше 3.8 млрд. років. У період становлення - а це значний термін - наша планета явно не годилася для виникнення життя.
Подібні міркування воскрешають гіпотезу про неземне, космічне походження життя. Гіпотеза панспермії ще в минулому столітті була висунута Сванте Арреніус, і суть її можна виразити так: у вічній і нескінченного Всесвіту життя так само вічна і нескінченна; суперечки, мікроорганізми - ці зародки життя - можуть покинути рідну планету і тиском світла транспортуються Бог зна куди - від планети до планеті, від зірки до зірки. У нас до ідеї панспермії схилявся В.І. Вернадський.
Проте гіпотеза досить слабка. Нехай у Всесвіті, хоча б в одній нашій Галактиці, мільйони планет. Зникаюче малу ймовірність виникнення життя (тобто Протогена) на одній з них потрібно помножити на настільки ж малу величину - ймовірність благополучного міжзоряного перельоту. Це тільки видимість вирішення проблеми. Крім того, схоже, що і всього Всесвіту не вистачає для виникнення життя. Манфред Ейген підрахував, що ймовірність виникнення одного лише білка - цитохрому С, що складається приблизно зі ста амінокислотних залишків, - 10-130, а у всьому Всесвіті вистачить місця лише для 1074 молекул (за умови, що всі планети, зірки і галактики складаються з варіантів молекул цитохрому).
Як бачимо, положення все більш драматизується. Виходить, що всі ми живемо всупереч теорії ймовірностей. Нас не повинно бути взагалі!
Вихід із такого становища спробував знайти Френсіс Крік. У 1982 р. він разом з Л. Орджел видав книгу «Життя як вона є, її походження і природа». Спочатку Крик драматизує становище. Він виходить з того, що первинний поліпептид, що кодується протогеном, мав 200 амінокислотних залишків, а не 100, як у Ейгена. Тоді ймовірність його виникнення 10-260 (це десятковий дріб з двомастами шістдесятьма нулями після коми). Далі він нагадує, що і Всесвіт, в тому вигляді, в якому вона є, не вічна. Більшість космологів зараз вважають, що вона продукт «Big Bang» - «Великого вибуху», що розметала всі планети, зірки і галактики, перш стиснуті в гранично малий (атомних розмірів!) Обсязі.
Коли стався Великий вибух? Колишні розрахунки за швидкістю розбігання галактик і енергії реліктового радіовипромінювання давали неточні і завищені величини віку Всесвіту. Тепер вона уточнена - по співвідношенню в зірках радіоактивного торію (період напіврозпаду 14 мільярдів років) і стабільного ніобію. Виявилося, що вік найстаріших зірок - не вище одинадцяти мільярдів років. Значить, для виникнення життя не вистачає не тільки простору, але й часу. Адже Всесвіт лише приблизно вдвічі старше Сонячної системи.
Крик також схиляється до неземного походження життя. Але він фізик і тому розуміє слабкості гіпотези панспермії. Звичайно, тиск сонячного світла може надати суперечці мікроорганізму третю космічну швидкість, - але воно ж буде відштовхувати від зірки «чужі» мікрочастинки. За мілліоннолетніе мандрування гени неминуче зруйнуються космічним випромінюванням. Зрозуміло, спори можуть бути екрановані від нього, наприклад в метеоритах, але метеорит з-за великої маси не отримає потрібної прискорення тиском світла. Та й вірогідність того, що суперечки, прискорена навмання, долетить до зірки з підходящими планетами, надто вже мала. Імовірність, що постріл наосліп з стратосферного лайнера вразить, наприклад, білку в око, набагато вище. Звичайно, за великий проміжок часу може статися і малоймовірне подія. Але часу-то якраз і не вистачає.
І Крик висуває гіпотезу спрямованої, керованої панспермії. Припустимо, пише він, на якийсь з численних планет у Всесвіті мільярди років тому виникла якась надцивілізація. Її носії, переконавшись у тому, що життя - штука рідкісна, можливо, унікальна, захочуть поширити її якомога ширше. З цією метою надцивілізація починає розсилати по всіх напрямах, у свою і чужі галактики, автоматичні ракетні кораблі. Рухаючись зі швидкістю хоча б 0.0015% швидкості світла (близько 3 миль / сек), вони в середньому за 1000 років досягнуто найближчих систем з планетами і розсіють в їхню атмосферу пакети з «пасажирами».
Такими пасажирами можуть бути лише заморожені і висушені мікроорганізми. Вони стійкі до випромінювань і перенесуть наддовго космічний переліт. Стійкі вони і до величезних прискорень, так що ці гіпотетичні кораблі можуть набирати швидкість самим економічним шляхом - вибуховим прискоренням в сотні g. Якщо умови на поверхні нової планети виявляться придатними, почнеться стрімке розмноження - і подальша еволюція, аж до появи людини.
А що значить придатні умови? Ми знаємо мікроорганізми, які живуть без кисню, в гарячій сірчаної кислоти, які використовують як джерело енергії сірку і відновлені метали. Багато земні бактерії, схоже, відмінно виживуть на Марсі або хоча б на полюсах Венери.
І Крик згадує стару суперечку між великими фізиками-атомниками Енріко Фермі і Лео Сцілард. Сцілард був гарячим прихильником сверхцивилизаций, розсіяних по космосу, і скептик Фермі запитав: «Якщо їх багато, чому ми їх не бачимо і не чуємо? Де ж вони? »І Крик вважає, що знайшов відповідь:« Вони - це ми, вірніше, ми - їх сверхотдаленние нащадки. У майбутньому ми, можливо, підхопимо цю естафету ». (Крик підраховує, що навіть наші сучасні космічні кораблі долетять до туманності Андромеди за 4 млрд. років, коли від нашої цивілізації не залишиться навіть праху.)
Однак докази космічного походження життя, висунуті Криком і Орджел, нечисленні і непереконливі. Перше з них - підвищений в порівнянні з середньою концентрацією для загальної маси Землі зміст молібдену в живих організмах. Молібден входить до складу ряду ферментів, наприклад нітрогенази мікроорганізмів, що зв'язують атмосферний азот. Це ключовий фермент, що робить життя на Землі можливою. І Крик з Орджел укладають: ми всі емігранти з багатою молібденом планети. Але Морісабуро Егамі показав, що відносні одиниці кількості (кларки) для живої природи і морської води по молібдену збігаються. Так що молібденовий слід веде не в космос, а в земній океан.
Другий аргумент Крику - раптове виникнення мікроорганізмів 3.8 млрд. років тому. На жаль, цей довід в рівній мірі годиться для всіх форм життя, включаючи людину. Раптовість - артефакт, обумовлений специфікою палеонтологічного літопису. Вона завжди констатує широке розповсюдження форми («торжествуючу буденність»), а не процес її становлення. Принцип телебачення і перші успішні спроби його застосування відомі з 20-х років, але археологи майбутнього знайдуть перші уламки телевізорів, швидше за все, в шарах 50-х і ними датують його раптове виникнення. А на ділі ніякої раптовості не було.
Але головне не в цьому. Найприкріше, що красива гіпотеза Крику не допомагає. Навіть закликавши на допомогу всі планети Всесвіту, ми лише в незначній мірі підвищимо надкоротких ймовірність виникнення Протогена. З зникаюче малої дробу (10-260) зріже яких-небудь п'ятдесят нулів після коми - ні часу, ні місця, як і раніше не вистачає. Так що, перефразувавши відомий вислів Н. Бора, ця гіпотеза недостатньо божевільна, щоб бути вірною.
Мабуть, до кінця пішов у цьому питанні лише астроном і математик Налін Чандра Вікрамасінгх (Шрі-Ланка). Його вихідні положення ті ж: життя не може виникнути випадковим шляхом. Для життя потрібно виникнення близько 2000 ферментів - число пробних комбінацій 10-40000 (сорок тисяч нулів після коми!). Висновок Вікрамасінгха: «Швидше ураган, що проноситься по кладовищу старих літаків, збере новісінький суперлайнер з шматків брухту, ніж у результаті випадкових процесів виникне зі своїх компонентів життя». Але ж походження життя як-то треба пояснити? І Вікрамасінгх пояснює (або вважає, що пояснює, хоча це не одне і те ж): «Свої власні філософські переваги я віддаю вічною і безмежного Всесвіту, в якій якимось природним шляхом виник творець життя - розум, значно перевершує наш».
У нас є вибір. Можна, звичайно, погодитися з астрофізиком з Шрі-Ланки і на цьому покінчити з розгадкою походження життя. А можна розглянути таку проблему: всі статистичні викладки, що призводять до жахливого кількості варіантів і, отже, до мізерно малим ймовірностями спонтанного виникнення Протогена, вірні. Ось тільки застосовні вони?
Вважаємо, що повторити створення «Гамлета» не під силу не тільки мільйону мавп, але і мільйону людей з друкарськими машинками. Але - останній риторичне питання: чи міг існувати театр, якби «Гамлет» не був написаний? Адже в бурхливий єлизаветинський століття Шекспір міг би потрапити не в «Глобус», а, скажімо, в екіпаж до Френсісу Дрейку і скласти свою буйну голову в кругосветке «Золотий лані». Ясно, що ми мали би театр без шекспірівських п'єс і не переживали б з приводу їхньої відсутності. Тому що не можна сумувати з того, що не з'явилося на світ.
І М. Ейген зі своїм прикладом - цитохромом С, і Ф. Крик з гіпотетичним ферментом, і Н.Ч. Вікрамасінгх в розрахунках виходять з того, що є тільки один придатний варіант цитохрому С, по єдиному варіанту кожного ферменту і так далі-то є, не будь «Гамлета», і театру не було б. Але ж це не так. Якщо варіантів безліч (а їх практично нескінченність), то і поліпептидів, придатних для роботи, наприклад, в якості ферменту, так само повинно бути практично нескінченне число.
Це твердження допускає експериментальну перевірку. Якщо ми праві, то поліпептиди, в яких амінокислотні залишки чергуються випадковим чином (стохастичні полімери), повинні проявляти біологічну активність. Як тільки стохастичний полімер зміг проявити ферментну активність при синтезі своєї ж матриці - Протогена, виникнення життя можна було б вважати завершеним. Нехай ці полімери працювали гірше сучасних ферментів - не так ефективно і специфічно. Але на те й відбір, щоб коригувати їх послідовності, удосконалюючи функції.
Ось хороший приклад: є ціла група ферментів - серинові протеази, що розщеплюють білки по амідних зв'язків. Встановлено, що активність їх визначається наявністю в послідовності трійки: серин-гістидин-аспартат - тільки тоді білок прискорює розщеплення (реакцію протеолізу) в 10 мільярдів разів проти контролю. Якщо ж ми будемо прибирати з послідовності спочатку серин, потім гістидин, потім аспартат, активність відповідно буде знижуватися в 2x106, 2x1O6 і 3x104 разів. Але й без магічної трійки вона не зникне, не буде нульовий.
Звідси випливає, що в досить великий і різноманітної сукупності випадково синтезованих полімерів можна знайти такі, які зможуть виконувати функцію будь-якого білка, наприклад ферменту, - такі досліди вже були поставлені. Американський дослідник X.С. Фокс змішував сухі амінокислоти і нагрівав їх до 200? С; в результаті виходили поліпептиди-ланцюжки з амінокислотних залишків, практично неможливо відрізнити від білків малої молекулярної маси. Мономери в цих полімерах були розподілені зовсім випадково, і в цій суміші навряд чи можна було знайти дві однакові молекули. Мабуть, такі сполуки - протеіноіди - легко виникали на початковому етапі існування Землі, наприклад на схилах вулканів.
Х.С. Фокс і його співробітник Л. Бахадур перевірили, чи може суміш протеіноідов працювати як фермент. Виявилося, що вона проявляла активність, що імітує функцію ферментів пирофосфатаз, каталази, АТФази. Інші дослідники, багаторазово перевіривши досліди Фокса, прийшли до висновку, що подібна суміш може імітувати функцію практично будь-якого ферменту. Можливо, що протеіноіди каталізували синтез перших генів - матриць, на яких синтезувалися вже справжні білки, але теж з випадковими послідовностями. Як тільки серед них знайшлася одна, здатна прискорити синтез і реплікацію своєї матриці - нуклеїнової кислоти, важка проблема походження життя була вирішена.
Для цього не потрібно було сверхастрономіческого числа Всесвітів і втручання сверхразума. У дослідах Фокса брало участь не 10230 молекул, а суттєво менше - 1023, - одного моля, як кажуть хіміки. Для виникнення життя цілком вистачило б випадкових хімічних реакцій у досить великий брудній калюжі, на зразок тієї, яку оспівав Н.В. Гоголь в «Миргороді».
Спростувати цю концепцію можна відвідавши кілька планет земного типу з інших зоряних систем. Цілком можливо виявити на деяких з них, хоча б на одній, життя. Ось коли тамтешні гени і закодовані ними білки будуть гомологічних генів і білків земних організмів, можна прийняти ідею Творця.
Поки це не загрожує: ми знаємо, що і на Землі один і той же ген не виникало двічі, як не було написано двічі будь-який літературний твір, той же «Гамлет
1.2 Концепції походження життя
Одним з найбільш важких і в той же час актуальних та цікавих у сучасному природознавстві є питання про походження життя. Життя - одне з найскладніших, якщо не саме складне явище природи. Для неї особливо характерні обмін речовин і самовідтворення, а особливо більш високих рівнів її організації обумовлені будовою більш низьких рівнів. Живі істоти - це природні інформаційні системи, тобто системи, що існують самі по собі, а не в результаті побудови або складеної ким-то програми.
Відмінність живого від неживого полягає у кількох фундаментальних напрямах: матеріальному, структурному і функціональному планах його вивчення. У матеріальному плані до складу живого обов'язково входять високоупорядоченние макромолекулярні органічні сполуки, звані биополимерами, - білки, нуклеїнові кислоти (ДНК і РНК). У структурному плані живе відрізняється від неживого клітинною будовою. У функціональному плані для живих тіл характерно відтворення самих себе, вірніше самовідтворення.
Живі тіла відрізняються від неживих також наявністю обміну речовин, здатністю до росту і розвитку, активної регуляції свого складу та функцій, здатністю до руху, подразливістю, пристосованістю до середовища і т.д. Однак є перехідні форми від нежиття до життя. Наприклад, віруси поза клітинами іншого організму не володіють ні одним з атрибутів живого, хоча у них є спадковий апарат. Вони можуть рости і розмножуватися лише в клітині організму-господаря, використовуючи його ферментні системи.
У сучасному природознавстві існує п'ять основних концепцій виникнення життя: 1) креаціонізм - божественне створення живого; 2) концепція багаторазового самовільного зародження життя з неживої речовини; 3) концепція стаціонарного стану, відповідно до якої життя існувала завжди; 4) концепція панспермії - позаземного походження життя; 5) концепція походження життя на Землі в історичному минулому в результаті процесів, що підкоряються природничих законам.
Перша концепція є релігійною і до науки прямого стосунку не має. Хоча до нього близька концепція, згідно з якою життя створена вищим розумом, що знаходяться поза Всесвітом. Грунтується вона на запереченні можливості пояснити генезис життя природними причинами і спрямована проти концепції хімічної, передбіологічній еволюції. В якості основоположного тези в даних концепціях розглядається положення про те, що життя як на Землі, так і взагалі де-небудь у Всесвіті не може виникнути випадково. Життя представляє собою акт навмисного творіння, що призводить до ототожнення сучасних космологічних уявлень з релігійними істинами, і для вічного, безмежного Всесвіту характерно незмінне сталість картин
У розвитку навчань про походження життя істотне місце займає теорія, яка стверджує, що все живе походить тільки від живого - теорія біогенезу. Цю теорію в середині XIX століття протиставляли ненауковим уявленням про самозародження організмів (хробаків, мух і навіть мишей) в болотах, в гниючої масі і тому подібних місцях. Однак як теорія походження життя біогенез неспроможний, оскільки принципово протиставляє живе неживому, стверджує відхилену наукою ідею вічності життя. в.
Абіогенез - ідея про походження живого з неживого - вихідна гіпотеза сучасної теорії походження життя, спростована французьким мікробіологом XIX ст. - Луї Пастером, який отримав за це премію в 1862 р. від Французької Академії наук.Важливо підкреслити, що в даний час життя на Землі не може виникнути абіогенним шляхом. Можливість повторного виникнення життя на Землі виключена.
Ще Дарвін в 1871 р. писав: «Але якщо б зараз ... в будь-якому теплом водоймі, що містить всі необхідні солі амонію і фосфору та доступному впливу світла, тепла, електрики тощо, хімічно утворився білок, здатний до подальших всі більш складним перетворень, то це речовина негайно було б зруйновано і поглинено, що було неможливо в період виникнення живих істот ».
Викладена в ній тимчасова і ієрархічна послідовність подій містить вихідне уявлення про еволюцію: перший день - поява світла, другий день - зірок, третій день - створення Землі, четвертий день - Сонця і Місяця, п'ятий день - риб у море і птахів у небі, шостий день - створення людини і, нарешті, сьомий день-день відпочинку. На користь цієї концепції автори наводять такі аргументи: 1) білки, нуклеїнові кислоти та інші біологічні сполуки з їх вельми складною структурою можуть бути створені тільки живою істотою, оскільки системи такої складності не можуть виникнути в результаті взаємодії простих речовин в первинному океані, 2) у природно-науковому поясненні походження життя необхідно виходити з положення, що життя вже була закодована в структурі атомів.
Х в.
В кінці Х I Х ст. були поширені «теорії», згідно з якими життя виникає в болотах, гниючої масі і тому подібних місцях. в. Саме там з неживої матерії виникають живі організми - личинки мухи і навіть миші. Другу концепцію спростував вивчав діяльність бактерій французький мікробіолог XIX ст. - Луї Пастер. Третя концепція через свою оригінальність і аналітичної завжди мала небагато прихильників.в.
До початку XX ст. в науці панували дві останні концепції. Концепція панспермії, згідно з якою життя була занесена на Землю ззовні, спиралася на виявлення при вивченні метеоритів і комет «попередників живого» - органічних сполук, які, можливо, зіграли роль «насіння». У другій половині минулого століття шведський вчений Сванте Ар-реніус висунув оригінальну гіпотезу. На його думку, життя виникло не на Землі, а була занесена на неї з космосу. Наша планета була «заражена» мікроорганізмами, які прибули з глибин Всесвіту. Цей процес Арреніус назвав панспермії. Гіпотеза шведського вченого не отримала підтримки його колег. Ніхто не бачив можливості для мікроорганізмів тривало подорожувати в космічному просторі, не гинучи від згубних випромінювань.Аристотель на основі відомостей про тварин, які надходили від воїнів Олександра Македонського і купців-мандрівників, сформував ідею поступового і безперервного розвитку живого з неживого і створив уявлення про «сходах природи» стосовно до тваринного світу. Аристотель, який вважав, що живе може виникати і в результаті розкладання грунту Він не сумнівався в самозародження жаб, мишей та інших дрібних тварин. Платон говорив про самозародження живих істот із землі в процесі гниття.
З поширенням християнства ідеї самозародження були оголошені єретичними, і довгий час про них не згадували. Гельмонт придумав рецепт отримання мишей з пшениці і брудної білизни. Бекон теж вважав, що гниття - зачаток нового народження. Ідеї самозародження життя підтримували Галілей, Декарт, Гарвей, Гегель, Ламарк. У 1688 р. італійський біолог Франческо Реді (1626-1698), серією дослідів з відкритими і закритими посудинами довів, що з'являються в гниючому м'ясі білі маленькі хробаки - це личинки мух, і сформулював свій принцип: все живе - з живого. Він першим засумнівався у спроможності цієї теорії. Довести «принцип Реді» вдалося лише два століття по тому, в 1860 р., Луї Пастеру. У серії витончених дослідів з хитро вигнутими колбами він показав, що «зародження» мікроорганізмів в стерильному бульйоні відбувається тільки в тому випадку, якщо їх зародки можуть потрапити в бульйон з повітря або іншим шляхом. Якщо перегородити шлях «зародкам» (залишивши при цьому доступ повітрю), ніякого самозародження не відбувається. За це він у 1862 р. отримав премію від Французької Академії наук. дуже бурхливо. Його прихильниками були видатні уми свого часу. Але були противники. Так, А.І. Опарін показав, що ця теорія, строго кажучи, нічого не дає. У всякому разі, вона не має ніякого відношення до походження життя, бо навіть якщо вдасться довести, що життя було занесене на нашу планету ззовні, то це не звільняє нас від необхідності пояснити, як же вона виникла спочатку. Теорія панспермії дозволяє вирішити лише проблему походження земного життя, одночасно збільшуючи складність основної проблеми у багато разів.
В даний час відроджується стара ідея панспермії. На міжнародному симпозіумі «Пошуки неземного життя», що відбувся в Бостоні (США) в 1984 р., голландський вчений М. Грінберг повідомив, що в його експериментах було показано, що в умовах вакууму і надзвичайно низької температури, характерної для міжзоряного середовища, бактеріальні спори можуть протистояти радіації протягом декількох тисяч років. Цього, звичайно, недостатньо, щоб перенестися від зірки до зірки, але якщо «материнська» зірка проходить через пилові хмари, деякі суперечки отримують від його частинок додатковий захист і можуть подорожувати мільйони років.
У концепції появи життя на Землі в історичному минулому два варіанти. Згідно з одним, походження життя - результат випадкового утворення одиничної «живий молекули», у будові якої був закладений весь план подальшого розвитку живого. Відповідно до іншої точки зору, походження життя - результат закономірної еволюції матерії.
Ця остання концепція є найбільш наукової, розглянемо її детально. Широко поширеною і експериментально обгрунтованою є модель, що отримала за кордоном назву гіпотези Опаріна-Холдейна - по імені вчених, що висунули подібні гіпотези швидше за все незалежно один від одного. Спільність розвиваються вченими поглядів полягає у прийнятті за вихідні тези твердження про те, що всі необхідні для виникнення життя біологічно значущі органічні сполуки можуть утворитися в абіогенних умовах, тобто без участі живого, лише на основі фізико-хімічних закономірностей перетворення речовин. Більшість сучасних спеціалістів також переконане, що виникнення життя в умовах первинної Землі є результат природної еволюції матерії. Для вивчення наукової проблеми походження життя необхідні перш за все відомості про фізико-хімічних умовах на ранній Землі. Такі дані пов'язані як з геологічної еволюцією планети, так і з еволюцією хімічних елементів Сонячної системи і сонячною активністю. З великого числа хімічних елементів для життя необхідні тільки 16, а водень, вуглець, кисень і азот становлять майже 99% живої матерії. У матеріальному плані для становлення життя потрібен, перш за все, вуглець. Життя на Землі заснована на цьому елементі, хоча в принципі можна припустити існування життя і на кремнієвій основі.
Унікальними властивостями володіє вуглець, і наше життя називається вуглецевої або органічної. Чотирьохвалентного вуглецю призводить до величезного числа його сполук, якими займається органічна хімія. Вуглець утворює складні молекули, які становлять кільця та ланцюги, що забезпечують різноманітність органічних сполук. Амінокислоти - важливий для життя клас органічних сполук. У живих організмах вони використовуються для синтезу білків, рослини можуть синтезувати їх із простих речовин, а у тваринні організми частина їх повинна надходити з їжею, тому їх називають незамінними. З чотирьох нуклеотидів побудовані й інші великі молекули - нуклеїнові кислоти, теж входять до складу живої клітини. Кисень, водень і азот поряд з вуглецем можна віднести до основ живого. Клітка складається на 70% з кисню, 17% вуглецю, 10% водню, 3% азоту. Всі вони належать до найбільш стійким і поширеним на Землі хімічних елементів. Вони легко з'єднуються між собою, вступають в реакції і володіють малою атомною вагою. Їх з'єднання легко розчиняються у воді. Органічні речовини були присутні на Землі при її утворенні. Вони могли синтезуватися і на поверхні пилинок.
Сучасна теорія походження життя заснована на ідеї про те, що біологічні молекули могли виникнути в далекому геологічному минулому неорганічним шляхом. Для виникнення життя потрібні певні температури, вологість, тиск, рівень радіації, певна спрямованість розвитку Всесвіту і час. Земля підходила для зародження життя. Її вік 4,6 млрд. років. Температура поверхні в початковий період була 4000-8000 ° С і в міру охолодження Землі вуглець і більш тугоплавкі метали конденсувалися і утворили земну кору. 2 , C 0 2 , с небольшой примесью других газов ( NH 3 , CH 4 , H 2 S ) при почти полном отсутствии 0 2 (практически весь кислород, содержащийся в атмосфере в настоящее время, является продуктом фотосинтеза).
Первинна атмосфера Землі протягом 2 млрд. років складалася, імовірно, головним чином з водяної пари, N 2, C 0 2, з невеликою домішкою інших газів (NH 3, CH 4, H 2 S) при майже повній відсутності 0 2 (практично весь кисень, що міститься в атмосфері в даний час, є продуктом фотосинтезу). Відсутність у первісній атмосфері кисню було необхідною умовою виникнення життя, оскільки органічні речовини легше створюються в відновному середовищі. За відсутності кисню, який міг би їх зруйнувати, а також живих організмів, які використовували б їх у їжу, абиогенно утворилися органічні речовини накопичувалися в Світовому океані, яка виникла у міру охолодження поверхні Землі внаслідок конденсації водяної пари і випадання опадів. У 1953 р. Г. Меллер експериментально встановив, що при підведенні енергії (наприклад, у формі електричних зарядів, ультрафіолетового випромінювання, радіоактивного випромінювання та тепла) до газової суміші, що містить вуглець, водень, кисень і азот, в відновному середовищі утворюються всі важливі деталі для побудови біоречовин: амінокислот, гидроокисей, Сахаров, пуринових і піримідинових основ. З ініціацією хімічних процесів на планеті Земля почалася фаза хімічної еволюції близько 4-4,5 млрд. років тому. , Р,… в относительно сложные органические молекулы. Основним результатом першої стадії хімічної еволюції стала інтеграція простих атомів Н, С, N, Р, ... у відносно складні органічні молекули. Результатом хімічної еволюції стала інтеграція атомів хімічних елементів в багато складні органічні молекули, а молекул - в багато ще більш складні ланцюгові молекули. Важливу роль в цих перетвореннях грали такі хімічні елементарні процеси: гомогенний і гетерогенний каталіз, Автокаталіз, бистабильность і коливання.Наступним кроком було утворення більших полімерів з малих органічних мономерів, знову ж таки без участі живих організмів. Мабуть, на первинній Землі освіта полімерів з випадковою послідовністю амінокислот або нуклеотидів могло відбуватися при випаровуванні води у водоймах, що залишилися після відпливу. Якщо полімер утворився, він здатний впливати на утворення інших полімерів.
Складну хімічну еволюцію зазвичай висловлюють наступною узагальненою схемою: атоми -> прості з'єднання -> прості біоорганічні з'єднання -> макромолекули -> організовані системи. Наступним етапом після хімічної еволюції елементів є біохімічна еволюція.
Життя як особлива форма існування матерії характеризується двома відмінними властивостями-самовідтворенням і обміном речовин з навколишнім середовищем. На властивостях саморепродукції та обміну речовин будуються всі сучасні гіпотези виникнення життя. Найбільш широко визнані гіпотези - коацерватная і генетична.
Коацерватная гіпотеза (біохімічна еволюція). У 1924 р. російський вчений Олександр Іванович Опарін вперше сформулював основні положення концепції передбіологічній еволюції і потім, спираючись на експерименти Бунгенберга де Йонга, розвинув ці положення в коацерватной гіпотезі походження життя. Основу гіпотези складає твердження, що початкові етапи біогенезу були пов'язані з формуванням білкових структур. Перші білкові структури (протобіонти, за термінологією Опаріна) з'явилися в період, коли молекули білків отграничивались від навколишнього середовища мембраною. Ці структури могли виникнути з первинного «бульйону» завдяки коацерваціі - мимовільного поділу водного розчину полімерів на фази з різною їх концентрацією. Процес коацерваціі приводив до утворення мікроскопічних крапельок з високою концентрацією полімерів. Частина цих крапельок поглинали з середовища низькомолекулярні з'єднання: амінокислоти, глюкозу, примітивні каталізатори. Взаємодія молекулярного субстрату і каталізаторів вже означало виникнення найпростішого метаболізму всередині протобионтов.
Схема освіти коацерватной краплі наступна: молекула білка в розчині зближення молекул білка з втратою води освіта коацерватной краплі.
Володіли метаболізмом крапельки включали в себе з навколишнього середовища нові з'єднання і збільшувалися в об'ємі. Коли коацервати досягли розміру, максимально допустимого в даних фізичних умовах, вони розпадалися на більш дрібні крапельки, наприклад, під дією хвиль, як це відбувається при струшуванні судини з емульсією олії у воді. Дрібні крапельки знов продовжували рости, і потім утворювали нові покоління коацерватів. Поступове ускладнення протобионтов здійснювалося відбором таких коацерватних крапель, які володіли перевагою в кращому використанні речовини і енергії середовища. Відбір як основна причина вдосконалення коацерватів до первинних живих істот - центральне положення в гіпотезі Опаріна.
Генетична гіпотеза. Відповідно до цієї гіпотези, спочатку виникли нуклеїнові кислоти як матрична основа синтезу білків. Вперше її висунув у 1929 р. Г. Меллер. Здатність нуклеїнових кислот служити матрицями при утворенні комплементарних ланцюгів (наприклад, синтез і-РНК на ДНК) - найбільш переконливий аргумент на користь уявлень про провідне значення в процесі біогенезу спадкового апарату і, отже, на користь генетичної гіпотези походження життя. Гени спадковості розташовуються в ДНК і передача інформації йде в напрямку ДНК-РНК-білок. Зміна шляху передачі інформації РНК-білок-ДНК відбулося в результаті еволюції РНК.
У англійського вченого Дж. Холдейна «живими або напівживими об'єктами» називалися великі молекули, здатні до створення своїх копій. Живі тіла, що існують на Землі, являють собою відкриті, саморегульовані і самовідтворюються системи, побудовані з біополімерів - білків і нуклеїнових кислот. Речовина знайшло тим самим найважливіша властивість самовідтворення і вступило в нову фазу еволюції - фазу самоорганізації через самовідтворення. Тут велике значення мало утворення молекулярного мови біополімерів. Елементарний мова біологічної системи - це хімічний мову. Він має алфавіт, що складається з різних сортів нуклеотидів і амінокислот. Він дозволяє вибудовувати послідовності символів різної довжини - одиниці мутації, кодування та рекомбінації. Виникали все більш складні реплікативні системи, конкурували один з одним.
Виникнення протоклеток поклало початок біологічної еволюції речовини. Після того як вуглецеві з'єднання утворили «первинний бульйон», могли вже організуватися біополімери - білки і нуклеїнові кислоти, що володіють властивістю самопроізводства собі подібних. Механізм природного відбору діяв на самих ранніх стадіях зародження органічних речовин - з безлічі виникають речовин зберігалися стійкі до подальшого ускладнення. Як показує синергетика, енергія мала для виникнення життя не менше значення, ніж речовина. Деякі з перших стадій еволюції до життя були пов'язані з виникненням механізмів, здатних поглинати і трансформувати хімічну енергію, як би виштовхуючи систему в сильно нерівноважні умови.
Початок життя на Землі поклало поява нуклеїнових кислот, здатних до відтворення білків. Проте до цих пір залишаються неясними деталі переходу від складних органічних речовин до простих живих організмів. Теорія біохімічної еволюції пропонує лише загальну схему. Відповідно до неї на кордоні між коацерватами - згустками органічних речовин - могли вибудовуватися молекули складних вуглеводнів, що призводило до утворення примітивної клітинної мембрани, що забезпечує коацерватам стабільність. В результаті включення в коацерват молекули, здатної до самовідтворення, могла виникнути примітивна клітина, здатна до зростання. Наступним кроком в організації живого повинно було стати утворення мембран, які відмежовують суміші органічних речовин від навколишнього середовища. З їх появою і утворюється клітина - «одиниця життя», головна структурна відмінність живого від неживого.
Основні етапи біогенезу. Процес біогенезу включав три основних етапи: виникнення органічних речовин, поява складних полімерів (нуклеїнових кислот, білків, полісахаридів), освіта первинних живих організмів. Клітина - основна елементарна одиниця життя, здатна до розмноження, в ній протікають всі головні обмінні процеси (біосинтез, енергетичний обмін та ін.) Тому виникнення клітинної організації означало появу справжнього життя і початок біологічної еволюції.
Всі основні процеси, що визначають поведінку живого організму, протікають у клітинах. Тисячі хімічних реакцій відбуваються одночасно, для того щоб клітина могла отримати необхідні поживні речовини, синтезувати спеціальні біомолекули і видалити відходи. Величезне значення для біологічних процесів у клітині мають ферменти. Синтез білка здійснюється в клітині. Величина клітин - від мікрометра до більше одного метра. Клітини можуть бути диференційованими (нервові, м'язові і т.д.). Більшість з них мають здатність відновлюватися, але деякі, наприклад, нервові - немає або майже немає.
Розглянемо докладніше особливості еволюції на клітинному рівні організації життя. Найбільша відмінність існує між рослинами, грибами і тваринами, а між організмами, що володіють ядром (еукаріоти) і не мають його (прокаріоти). Останні представлені нижчими організмами - бактеріями і синьо-зеленими водоростями (ціанобактерії, або цианеи), всі інші організми - еукаріоти, які подібні між собою по внутрішньоклітинної організації, генетиці, біохімії і метаболізму. Різниця між прокаріотів і еу-каріота полягає ще й у тому, що перші можуть жити як у безкисневому (облігатні анаероби), так і в середовищі з різним вмістом кисню (факультативні анаероби та аероби), в той час як для еукаріотів, за деяким винятком , обов'язковий кисень. Всі ці відмінності мали істотне значення для розуміння ранніх стадій біологічної еволюції. Порівняння прокаріотів і еукаріотів за потребою в кисні призводить до висновку, що прокаріоти виникли в період, коли вміст кисню в середовищі змінювалося. На час же появи еукаріот концентрація кисню була високою і відносно постійною. Перші фотосинтезуючі організми з'явилися близько 3 млрд. років тому, а значна кількість даних про копалин еукаріотів дозволяє сказати, що їх вік становить близько 1,5 млрд. років. Можна припустити, що перша мікрофлора і перша мікрофауна з'явилися 3,3-4 млрд. років тому. Першими мікроорганізмами могли бути бактерії або примітивні водорості. Надалі важливу роль почали відігравати трофічні зв'язки. Підставою виникла трофічного ланцюга служили автотрофні рослини, які виробляли молекулярні структурні одиниці з води і молекул газу під дією сонячного світла. Вони повільно змінювали склад атмосфери. З неассімілірующіх організмів шанс на виживання мали лише паразити на протофлоре. Так з'явився принцип гетеротрофи, під яким розуміють будь-який організм (травоїдний, м'ясоїдний або всеїдний), який харчується іншими організмами.
Виникнення містить кисень атмосфери, що почалося 2 млрд. років тому, глибоко змінило умови існування життя. Для живих істот тієї далекої епохи кисень був високотоксичним газом, який в результаті процесу окислення міг призвести до руйнування органічних молекул. Мутація і відбір допомогли подолати і цю смертельну загрозу: виникли живі організми, забезпечені спочатку примітивними органами, а згодом зябрами і легенями, які розвинули високоефективні механізми обміну речовин для атмосфери, що містить кисень.
Власне біологічна еволюція починається з виникнення клітинної організації і надалі йде по шляху вдосконалення будови і функцій клітини, освіти багатоклітинній організації, поділу живого на царства рослин, тварин, грибів з подальшою їх диференціацією на види.
Основні положення природничо-наукової теорії походження життя наступні.
Органічні речовини сформувалися з неорганічних під дією фізичних факторів середовища.
Органічні речовини взаємодіяли, утворюючи все більш складні речовини, в результаті чого виникли ферменти і самовідтворюються системи - вільні гени.
Вільні гени з'єднувалися з іншими високомолекулярними органічними речовинами.
Навколо них стали утворюватися білково-ліпідні мембрани.
Виникли клітини.
6. З гетеротрофних організмів розвинулися автотрофні. Основні етапи розвитку життя на Землі представлені в табл. 14.1.
Таблиця 1. Основні етапи розвитку життя на Землі
Реальна шкала часу | Відносна шкала часу | Етапи розвитку життя |
3,5-4 млрд. л. н. | 1 січня | Процеси, що призвели до утворення органічних молекул |
1 лютого | Свідоцтва існування перших бактерій | |
1 березня | Бактеріальні колонії | |
3 млрд. л. н. | 1 квітня | Нитчасті фотосинтезуючі водорості |
1 травня | Зростання різноманітності бактерій | |
2,5 млрд. л. н. | 1 червня | Висока різноманітність бактерій |
2 млрд. л. н. | 1 липня | Розвиток складноорганізованих клітин |
1,5 млрд. л. н. | 1 вересня | Перші клітини, характерні для живих і вищих рослин |
1 млрд. л. н. | 1 жовтня | Зростання різноманітності життєвих форм в морях, поява всіх типів безхребетних |
500 млн. л. н. | 1 листопада | Початок освоєння суші, перші щелепи-норотие риби, розвиток хребетних |
300 млн. л. н. | 1 грудня | Розвиток ссавців, динозаври, амфібії |
100 млн. л. н. | Панування ссавців | |
11 млн. л. н. | 31 грудня 8 год | Початок еволюції людини |
5 млн. л. н. | 16 год | Викопні рештки людей |
23 год 59 м 58 с | Початок промислової революції |
Питання про закономірний або випадковий характер виникнення живих істот є найважчим для прийняття різних концепцій походження життя. У гіпотезі
Опаріна життя розглядається як закономірний результат еволюції матерії у Всесвіті. Альтернативні гіпотези походження, які заперечують це положення, постулюють або зумовлений (американський біофізик Кеньон), або випадковий характер виникнення первинних організмів.
Якщо група атомів у присутності джерела енергії утворює якусь стабільну структуру, то вона має тенденцію до збереження структури. Сама рання форма конкуренції полягала у відборі стабільних форм і відкиданні нестабільних. У цьому немає нічого таємничого.
Одна з головних причин кризи в рішенні проблеми походження життя - відсутність чіткої межі між трьома поняттями: життя, живе і частина живого. Причому дуже важко одночасно вивчати структуру і функцію: коли вивчається структура (фізико-хімічними методами), то зникає функція і навпаки.
Вік найстародавніших організмів - клітин без ядер, але мають нитки ДНК, схожих на бактерії та синьо-зелені водорості - становить близько 3 млрд. років. Близько 2 млрд. років тому в клітині з'являється ядро. Одноклітинні організми з ядром називаються найпростішими. Їх 25-30 тис. видів. Найпростіші з них - амеби, інфузорії з віями. Приблизно 1 млрд. років тому з'явилися перші багатоклітинні організми і стався вибір рослинного і тваринного способу життя.
Таким чином, емпіричні факти та теоретичні концепції науки досить переконливо вказують, що сучасному рівню наукового знання відповідає абіогенний характер виникнення і розвитку життя. У рамках цієї концепції передбіологічній еволюція має три фази: перша - фаза елементарних полімерів, коли відбувається абіогенний синтез простих органічних сполук; друга фаза - полімеризація, яка призводить до утворення попередників нинішніх живих клітин, а третина - біохімічна фаза, в якій здійснюється виникнення генетичного коду, біосинтез закодованих білків і перехід до біологічної еволюції.
Серед відомих гіпотез походження життя найбільш поширені: креаціонізм, мимовільне виникнення, вічне існування, панспермия, біохімічний шлях.
Для наукового вивчення походження життя необхідні перш за все дані про фізико-хімічних умовах на ранній Землі. Такі дані пов'язані як з геологічної еволюцією планети, так і з еволюцією хімічних елементів Сонячної системи і сонячною активністю.
З великого числа хімічних елементів для життя необхідні тільки 16, а водень, вуглець, кисень і азот становлять майже 99% живої матерії. Унікальними властивостями володіє вуглець, і наше життя називається вуглецевої, або органічної. Чотирьохвалентного вуглецю призводить до величезного числа його сполук, якими займається органічна хімія. Вуглець утворює складні молекули, які становлять кільця та ланцюги, що забезпечують різноманітність органічних сполук.
Амінокислоти - важливий для життя клас органічних сполук. У живих організмах вони використовуються для синтезу білків: рослини можуть синтезувати їх із простих речовин, а у тваринні організми вони повинні надходити з їжею, тому їх називають незамінними. З чотирьох нуклеотидів побудовані й інші великі молекули - нуклеїнові кислоти, теж входять до складу живої клітини. Нуклеїнові кислоти являють собою дволанцюжкові молекули.
Сучасні наукові гіпотези походження життя пов'язані з освітою в певних умовах більш складних неорганізованих молекул-коагулянтів, гелів коацерватів. У цих колоїдних утворень, як вважали Опарін і Холдейн, на поверхні можуть відбуватися процеси, що нагадують метаболізм живих організмів. Коацервати здатні ділитися на частини, збільшуватися в розмірах, поглинати більш прості молекули. Гіпотеза Опаріна-Холдейна перевірялася на установці Меллера, де іскровий розряд пропускався через суміш метану, аміаку, водню і води, що імітувало умови первинної Землі. Були синтезовані найпростіші амінокислоти. Живі тіла, що існують на Землі, являють собою відкриті, саморегульовані і самопроізводящіе системи, побудовані з біополімерів - білків і нуклеїнових кислот.
2. Походження життя
Походження життя - один з найбільш складних, важких і в той же час цікавих питань сучасного природознавства. У лабораторних умовах до цих пір не вдалося відтворити процеси виникнення життя такими, якими вони були мільярди років тому. Адже навіть ретельно поставлений досвід - лише модель, наближено враховано умови появи життя на Землі. Тим не менш, поступово розширюються уявлення про зародження життя. Істотний внесок у вирішення питання про походження життя внесли академік АН СРСР, біохімік А.І. Опарін (1894-1980), англійські натуралісти Дж. Бер - нал (1901-1971), Б.С. Холдейн (1892-1964) та ін
Історія життя і історія Землі невіддільні одне від одного. Саме в процесах розвитку нашої планети формувалися основні умови за - народження життя - діапазони температур, вологості, тиску, рівень радіації і т.п. Наприклад, діапазон температур, в якому можлива активне життя, досить вузьке.
Одна з гіпотез про походження Землі і всієї Сонячної системи, як уже зазначалося, полягає в тому, що Земля і всі планети сконденсувалися з космічного пилу та газу, розсіяних навколо Сонця. У зовнішніх областях Сонячної системи в результаті конденсації газів утворилися різні леткі органічні сполуки, що містять один з основних елементів всіх живих організмів - вуглець. При нагріванні Сонцем вони знову перетворювалися на газ, а з деякої їх частини під дією випромінювання утворилися менш леткі речовини - вугіллі - водень (з'єднання вуглецю з воднем) та з'єднання азоту. Віз - можна, з пилових часток з оболонками з органічних сполук сформувалися спочатку астероїди, а потім планети. Такі припущення підтверджують те, що планети-гіганти - Юпітер, Сатурн, Уран - складаються переважно з метану, водню, аміаку, льоду та інших речовин. Більш того, в метеоритах виявлено аденін - одна з амінокислот, що входять до складу молекули ДНК. Аденін вдалося синтезувати в лабораторних умовах при моделюванні первинної атмосфери Землі, а органічні сполуки, які відіграють велику роль в обміні речовин живих організмів, - щавлеву, мурашину і янтарну кислоти - отримали при опроміненні водних розчинів вуглекислоти.
Первинна атмосфера Землі, як і інших планет, містила, мабуть, метан, аміак, водяна пара і водень. При дії в лабораторії на суміш таких газів електричними розрядами, що імітують блискавку, і ультрафіолетовим випромінюванням синтезовані складні органічні речовини, що входять до складу натуральних білків. Ймовірно, електричні розряди, світлова і ультрафіолетова радіація ще до утворення Землі або на самій першій стадії її розвитку сприяли утворенню складних органічних речовин.
Які ж хімічні елементи є основними складовими всього живого, його «цеглинками»? Це, в першу чергу кисень, вуглець, водень і азот. Їх прийнято називати органогенних. У живій клітині, наприклад, по масі міститься близько 70% кисню, 17% вуглецю, 10% водню, 3% азоту. Кількість фосфору, калію, хлору, сірки, кальцію, натрію, магнію, заліза не перевищує десятих відсотка. Мідь, цинк, йод, фтор та інші елементи складають тисячні і десятитисячні частки відсотка.
Особлива роль в живих організмах належить вуглецю. Кажуть, що життя на нашій планеті «вуглецева»: багато органічні сполуки живих організмів містять вуглець. Число органічних сполук на його основі величезне - мільйони. Вони хімічно активні при порівняй - тельно невисокій температурі. З їхніх молекул утворюються довгі ланцюги різної форми, при перебудові яких істотно змінюється їх активність, що зростає при наявності каталізаторів.
На ранній стадії утворення органічних речовин з неорганічних, ймовірно, діяв попередній відбір сполук, з яких з'явилися організми. З безлічі утворилися речовин збереглися лише найбільш стійкі і здатні до подальшого ускладнення.
Для побудови будь-якого складного органічного з'єднання живих організмів потрібен невеликий набір складових блоків - мономерів (низькомолекулярних сполук). Наприклад, усього лише 29 порівняно нескладних мономерів достатньо для побудови будь-якого живого організму. У число їх входять 20 амінокислот, з яких складаються всі білки, 5 азотистих основ (з них в комбінації з іншими речовинами утворюються носії спадковості - нуклеїнові кислоти), а також глюкоза - найважливіше джерело енергії, необхідної для життєдіяльності, і жири - структурний матеріал мембран клітин і накопичувач енергії. Таке порівняно невелике число органічних зі - єднань - результат природного відбору, який виділив протягом майже мільярда років з величезної кількості речовин лише необхідні для живих систем. Це означає, що еволюції організмів передувала дуже тривала хімічна еволюція.
З'єднання на основі вуглецю утворили «первинний бульйон» гідросфери. Згідно з однією з гіпотез, що містять вуглець і азот речовини виникали в розплавах в глибині Землі і виносилися на поверхню при виверженні вулканів. Розмиваючись водою, вони потрапляли в океан, де і утворювався «первинний бульйон». Найважливішу роль у зародженні живих організмів зіграло об'єднання безлічі окремих молекул органічних речовин в впорядковані молекулярні структури - біополімери: білки і нуклеїнові кислоти, що володіли найважливішим біологічним властивістю відтворення собі подібних. Вільний кисень з'явився значно пізніше вуглецю в результаті фотосинтезу, що відбувалося спочатку у водоростях і бактеріях, а потім і в наземних рослинах. Безкиснева середу сприяла, мабуть, синтезу біополімерів: кисень як сильний окислювач руйнував би їх.
У результаті об'єднання нескладних органічних сполук утворилися спочатку ферменти - білкові каталізатори, а потім нуклеїнові кислоти - носії спадкової інформації. Можна вважати, що з цього моменту на Землі з'явилося життя. Життя - це особлива форма існування матерії. Характерні особливості життя - обмін із зовнішнім середовищем, відтворення собі подібних, постійний розвиток і т.п.
До кінця біохімічної стадії розвитку життя з'явилися структурні утворення - мембрани, які зіграли важливу роль у побудові клітин. Перші організми на Землі були одноклітинні - прокаріоти. Проходили сотні мільйонів, навіть мільярди років, протягом яких з прокаріотів утворювалися еукаріоти, їх клітин сформувалися ядро з речовиною, що містить код синтезу білка, ядерце, яке знаходиться в ядрі, і інші структурні елементи (рис. 7.6). З появою еукаріот намітився вибір рослинного або тваринного способу життя, відмінність між якими полягає у способі харчування і пов'язане з найважливішим для всього живого процесом - фотосинтезом.
Фотосинтез супроводжується надходженням в атмосферу кисню.
Підраховано, що завдяки фотосинтезу весь вуглекислий газ планети - і в атмосфері, і розчинений у воді - оновлюється приблизно за 300 років, а весь кисень - за 2 тис. років. Мабуть, нинішнє вміст кисню в атмосфері (21%) було досягнуто 250 млн. років тому в результаті інтенсивного розвитку рослин.
Передбачається, що багатоклітинні організми народилися з одноклітинних. Теорію походження багатоклітинних організмів створив наш співвітчизник, видатний вчений І.І. Мечников (1845-1916), лауреат Нобелівської премії з фізіології і медицині 1908 Багатоклітинні організми пройшли довгий шлях еволюції життя, про що свідчить палеонтологічний літопис, скам'янілі сторінки якої поступово відкривають таємниці походження життя.