Возникновение жизни / Обо всем

Возникновение жизни или абиогенез - процесс превращения неживой природы в живую.

Вопрос о том, когда на Земле появилась жизнь, всегда волновал не только ученых, но и всех людей. Ответы на него содержатся в священных писаниях практически всех религий. Хотя точного научного ответа на него до сих пор нет, некоторые факты позволяют высказать более или менее обоснованные гипотезы.

В Гренландии исследователями был найден образец горной породы с крошечным вкраплением углерода. Возраст образца более 3,8 млрд лет. Источником углерода, скорее всего, было какое-то органическое вещество – за такое время оно полностью утратило свою структуру. Ученые полагают, что этот комочек углерода может быть самым древним следом жизни на Земле.

Перенесемся на 4 млрд лет назад. Атмосфера не содержит свободного кислорода, он находится только в составе окислов. Почти никаких звуков, кроме свиста ветра, шипения извергающейся с лавой воды и ударов метеоритов о поверхность Земли.

Ни растений, ни животных, ни бактерий. Может быть, так выглядела Земля, когда на ней появилась жизнь? Хотя эта проблема издавна волнует многих исследователей, их мнения на этот счет сильно различаются. Об условиях на Земле того времени могли бы свидетельствовать горные породы, но они давно разрушились в результате геологических процессов и перемещений земной коры.

Как считает известный специалист в области проблемы возникновения жизни Стэнли Миллер, о возникновении жизни и начале ее эволюции можно говорить с того момента, как органические молекулы самоорганизовывались в структуры, которые смогли воспроизводить самих себя.

Но это порождает другие вопросы: как возникли эти молекулы; почему они могли самовоспроизводиться и собираться в те структуры, которые дали начало живым организмам; какие нужны для этого условия?

Согласно одной из гипотез жизнь началась в кусочке льда. Хотя многие ученые полагают, что присутствующий в атмосфере углекислый газ обеспечивал поддержание тепличных условий, другие считают, что на Земле господствовала зима.

При низкой температуре все химические соединения более стабильны и поэтому могут накапливаться в больших количествах, чем при высокой температуре. Занесенные из космоса осколки метеоритов, выбросы из гидротермальных источников и химические реакции, происходящие при электрических разрядах в атмосфере, были источниками аммиака и таких органических соединений, как формальдегид и цианид. Попадая в воду Мирового океана, они замерзали вместе с ней.

В ледяной толще молекулы органических веществ тесно сближались и вступали во взаимодействия, которые приводили к образованию глицина и других аминокислот. Океан был покрыт льдом, который защищал вновь образовавшиеся соединения от разрушения под действием ультрафиолетового излучения. Этот ледяной мир мог растаять, например, при падении на планету огромного метеорита.

Чарлз Дарвин и его современники полагали, что жизнь могла возникнуть в водоеме. Этой точки зрения многие ученые придерживаются и в настоящее время. В замкнутом и сравнительно небольшом водоеме органические вещества, приносимые впадающими в него водами, могли накапливаться в необходимых количествах.

Затем эти соединения еще больше концентрировались на внутренних поверхностях слоистых минералов, которые могли быть катализаторами реакций. Например, две молекулы фосфатальдегида, встретившиеся на поверхности минерала, реагировали между собой с образованием фосфорилированной углеводной молекулы – возможного предшественника рибонуклеиновой кислоты.

А может быть, жизнь возникла в районах вулканической деятельности? Непосредственно после образования Земля представляла собой огнедышащий шар магмы.

При извержениях вулканов и с газами, высвобождавшимися из расплавленной магмы, на земную поверхность выносились разнообразные химические вещества, необходимые для синтеза органических молекул. Так, молекулы угарного газа, оказавшись на поверхности минерала пирита, обладающего каталитическими свойствами, могли реагировать с соединениями, имевшими метильные группы, и образовывать уксусную кислоту, из которой затем синтезировались другие органические соединения.

Впервые получить органические молекулы – аминокислоты – в лабораторных условиях, моделирующих те, что были на первобытной Земле, удалось американскому ученому Стэнли Миллеру в 1952 г. Тогда эти эксперименты стали сенсацией, и их автор получил всемирную известность. В настоящее время он продолжает заниматься исследованиями в области предбиотической (до возникновения жизни) химии в Калифорнийском университете. Установка, на которой был осуществлен первый эксперимент, представляла собой систему колб, в одной из которых можно было получить мощный электрический разряд при напряжении 100 000 В.

Миллер заполнил эту колбу природными газами – метаном, водородом и аммиаком, которые присутствовали в атмосфере первобытной Земли. В колбе, расположенной ниже, было небольшое количество воды, имитирующей океан. Электрический разряд по своей силе приближался к молнии, и Миллер ожидал, что под его действием образуются химические соединения, которые, попав затем в воду, прореагируют друг с другом и образуют более сложные молекулы.

Результат превзошел все ожидания. Выключив вечером установку и вернувшись на следующее утро, Миллер обнаружил, что вода в колбе приобрела желтоватую окраску. То, что образовалось, оказалось бульоном из аминокислот – строительных блоков белков. Таким образом этот эксперимент показал, как легко могли образоваться первичные ингредиенты живого. Всего-то и нужны были – смесь газов, маленький океан и небольшая молния.

Другие ученые склонны считать, что древняя атмосфера Земли отличалась от той, которую моделировал Миллер, и состояла, скорее всего, из углекислого газа и азота. Используя эту газовую смесь и экспериментальную установку Миллера, химики попытались получить органические соединения. Однако их концентрация в воде была такой ничтожной, как если бы растворили каплю пищевой краски в плавательном бассейне. Естественно, трудно себе представить, как могла возникнуть жизнь в таком разбавленном растворе.

Если действительно вклад земных процессов в создание запасов первичного органического вещества был столь незначителен, то откуда оно вообще взялось? Может быть, из космоса? Астероиды, кометы, метеориты и даже частицы межпланетной пыли могли нести на себе органические соединения, включая аминокислоты. Эти внеземные объекты могли обеспечить попадание в первичный океан или небольшой водоем достаточного для зарождения жизни количества органических соединений.

Последовательность и временной интервал событий, начиная от образования первичного органического вещества и кончая появлением жизни как таковой, остается и, наверное, навсегда останется загадкой, волнующей многих исследователей, равно как и вопрос, что. собственно, считать жизнью.

В настоящее время существует несколько научных определений жизни, но все они не точны. Одни из них настолько широки, что под них попадают такие неживые объекты, как огонь или кристаллы минералов. Другие – слишком узки, и в соответствии с ними мулы, не дающие потомства, не признаются живыми.

Одно из наиболее удачных определяет жизнь как самоподдерживающуюся химическую систему, способную вести себя в соответствии с законами дарвиновской эволюции. Это значит, что, во-первых, группа живых особей должна производить подобных себе потомков, которые наследуют признаки родителей.

Во-вторых, в поколениях потомков должны проявляться последствия мутаций – генетических изменений, которые наследуются последующими поколениями и обуславливают популяционную изменчивость.

И в-третьих, необходимо, чтобы действовала система естественного отбора, в результате которого одни особи получают преимущество перед другими и выживают в изменившихся условиях, давая потомство.

Какие же элементы системы были необходимы, чтобы у нее появились характеристики живого организма? Большое число биохимиков и молекулярных биологов считают, что необходимыми свойствами обладали молекулы РНК. РНК – рибонуклеиновые кислоты – это особенные молекулы. Одни из них могут реплицироваться, мутировать, таким образом передавая информацию, и, следовательно, они могли участвовать в естественном отборе.

Правда, они не способны сами катализировать процесс репликации, хотя ученые надеются, что в недалеком будущем будет найден фрагмент РНК с такой функцией. Другие молекулы РНК задействованы в “считывании” генетической информации и передаче ее на рибосомы, где происходит синтез белковых молекул, в котором принимают участие молекулы РНК третьего типа.

Таким образом самая примитивная живая система могла быть представлена молекулами РНК, удваивающимися, подвергающимися мутациям и подверженными естественному отбору. В ходе эволюции на основе РНК возникли специализированные молекулы ДНК – хранители генетической информации – и не менее специализированные молекулы белка, взявшие на себя функции катализаторов синтеза всех известных в настоящее время биологических молекул.

В некий момент времени “живая система” из ДНК, РНК и белка нашла приют внутри мешочка, образованного липидной мембраной, и эта более защищенная от внешних воздействий структура послужила прототипом самых первых клеток, давших начало трем основным ветвям жизни, которые представлены в современном мире бактериями, археями и эукариотами.

Что касается даты и последовательности появления таких первичных клеток, то это остается загадкой. Кроме того, по простым вероятностным оценкам для эволюционного перехода от органических молекул к первым организмам не хватает времени – первые простейшие организмы появились слишком внезапно.

В течение многих лет ученые полагали, что жизнь вряд ли могла возникнуть и развиваться в тот период, когда Земля постоянно подвергалась столкновениям с большими кометами и метеоритами, а завершился этот период примерно 3,8 млрд лет тому назад. Однако недавно в самых древних на Земле осадочных породах, найденных в юго-западной части Гренландии, были обнаружены следы сложных клеточных структур, возраст которых составляет по крайней мере 3,86 млрд лет.

Значит, первые формы жизни могли возникнуть за миллионы лет до того, как прекратилась бомбардировка нашей планеты крупными космическими телами. Но тогда возможен и совсем другой сценарий.

Падавшие на Землю космические объекты могли сыграть центральную роль в возникновении жизни на нашей планете, так как, по мнению ряда исследователей, клетки, подобные бактериям, могли возникнуть на другой планете и затем уже попасть на Землю вместе с астероидами. Одно из свидетельств в пользу теории внеземного происхождения жизни было обнаружено внутри метеорита, по форме напоминающего картофелину и названного ALH84001.

Первоначально этот метеорит был частичкой марсианской коры, которая затем была выброшена в космос в результате взрыва при столкновении огромного астероида с поверхностью Марса, происшедшего около 16 млн лет назад. А 13 тыс. лет назад после длительного путешествия в пределах Солнечной системы этот осколок марсианской породы в виде метеорита приземлился в Антарктике, где и был недавно обнаружен.

При детальном исследовании метеорита внутри него были обнаружены палочковидные структуры, напоминающие по форме окаменелые бактерии, что дало повод для бурных научных споров о возможности жизни в глубине марсианской коры. Разрешить эти споры удастся не ранее 2005 г., когда Национальное управление по аэронавтике и космическим исследованиям США осуществит программу полета на Марс межпланетного корабля для отбора проб марсианской коры и доставки образцов на Землю.

И если ученым удастся доказать, что микроорганизмы когда-то населяли Марс, то о внеземном возникновении жизни и о возможности занесения жизни из Космоса можно будет говорить с большей долей уверенности (рис. 5).

Что мы унаследовали от древних форм жизни? Приведенное ниже сравнение одноклеточных организмов с клетками человека выявляет много черт сходства.

Эволюция жизни на Земле: от простого к сложному

В настоящее время, да, наверное, и в будущем, наука не сможет дать ответ на вопрос, как выглядел самый первый организм, появившийся на Земле, – предок, от которого берут начало три основные ветви древа жизни. Одна из ветвей – эукариоты, клетки которых имеют оформленное ядро, содержащее генетический материал, и специализированные органеллы: митохондрии, вырабатывающие энергию, вакуоли и др. К эукариотным организмам относятся водоросли, грибы, растения, животные и человек.

Вторая ветвь – это бактерии – прокариотные (доядерные) одноклеточные организмы, не имеющие выраженного ядра и органелл. И наконец, третья ветвь – одноклеточные организмы, именуемые археями, или архебактериями, клетки которых имеют такое же строение, как и у прокариот, но совсем другую химическую структуру липидов.

Многие архебактерии способны выживать в крайне неблагоприятных экологических условиях. Некоторые из них являются термофилами и обитают только в горячих источниках с температурой 90 °С и даже выше, где другие организмы попросту погибли бы. Превосходно чувствуя себя в таких условиях, эти одноклеточные организмы потребляют железо и серусодержащие вещества, а также ряд химических соединений, токсичных для других форм жизни. По мнению ученых, найденные термофильные архебактерии являются крайне примитивными организмами и в эволюционном отношении – близкими родственниками самых древних форм жизни на Земле.

Интересно, что современные представители всех трех ветвей жизни, наиболее похожие на своих прародителей, и сегодня обитают в местах с высокой температурой. Исходя из этого, некоторые ученые склонны считать, что, вероятнее всего, жизнь возникла около 4 млрд лет тому назад на дне океана вблизи горячих источников, извергающих потоки, богатые металлами и высокоэнергетическими веществами.

Взаимодействуя друг с другом и с водой стерильного тогда океана, вступая в самые разнообразные химические реакции, эти соединения дали начало принципиально новым молекулам. Так, в течение десятков миллионов лет в этой “химической кухне” готовилось самое большое блюдо – жизнь. И вот около 4,5 млрд лет тому назад на Земле появились одноклеточные организмы, одинокое существование которых продолжалось весь докембрийский период.

Всплеск эволюции, давший начало многоклеточным организмам, произошел гораздо позже, немногим более полумиллиарда лет назад. Хотя размеры микроорганизмов столь малы, что в одной капле воды могут поместиться миллиарды, масштабы проведенной ими работы грандиозны.

Полагают, что первоначально в земной атмосфере и Мировом океане не было свободного кислорода, и в этих условиях жили и развивались лишь анаэробные микроорганизмы. Особым шагом в эволюции живого было возникновение фотосинтезирующих бактерий, которые, используя энергию света, превращали углекислый газ в углеводные соединения, служащие пищей для других микроорганизмов.

Если первые фотосинтетики выделяли метан или сероводород, то появившиеся однажды мутанты начали вырабатывать в процессе фотосинтеза кислород. По мере накопления кислорода в атмосфере и водах анаэробные бактерии, для которых он губителен, заняли бескислородные ниши.

В древних ископаемых остатках, найденных в Австралии, возраст которых исчисляется 3,46 млрд лет, были обнаружены структуры, которые считают останками цианобактерий – первых фотосинтезирующих микроорганизмов. О былом господстве анаэробных микроорганизмов и цианобактерий свидетельствуют строматолиты, встречающиеся в мелководных прибрежных акваториях не загрязненных соленых водоемов.

По форме они напоминают большие валуны и представляют интересное сообщество микроорганизмов, живущее в известняковых или доломитовых породах, образовавшихся в результате их жизнедеятельности. На глубину нескольких сантиметров от поверхности строматолиты насыщены микроорганизмами: в самом верхнем слое обитают фотосинтезирующие цианобактерии, вырабатывающие кислород; глубже обнаруживаются бактерии, которые до определенной степени терпимы к кислороду и не нуждаются в свете; в нижнем слое присутствуют бактерии, которые могут жить только в отсутствие кислорода.

Расположенные в разных слоях, эти микроорганизмы составляют систему, объединенную сложными взаимоотношениями между ними, в том числе пищевыми. За микробной пленкой обнаруживается порода, образующаяся в результате взаимодействия остатков отмерших микроорганизмов с растворенным в воде карбонатом кальция. Ученые считают, что когда на первобытной Земле еще не было континентов и лишь архипелаги вулканов возвышались над поверхностью океана, мелководье изобиловало строматолитами.

В результате жизнедеятельности фотосинтезирующих цианобактерий в океане появился кислород, а примерно через 1 млрд лет после этого он начал накапливаться в атмосфере. Сначала образовавшийся кислород взаимодействовал с растворенным в воде железом, что привело к появлению окислов железа, которые постепенно осаждались на дне. Так в течение миллионов лет с участием микроорганизмов возникли огромные залежи железной руды, из которой сегодня выплавляется сталь.

Затем, когда основное количество железа в океанах подверглось окислению и уже не могло связывать кислород, он в газообразном виде ушел в атмосферу.

После того как фотосинтезирующие цианобактерии создали из углекислого газа определенный запас богатого энергией органического вещества и обогатили земную атмосферу кислородом, возникли новые бактерии – аэробы, которые могут существовать только в присутствии кислорода. Кислород им необходим для окисления (сжигания) органических соединений, а значительная часть получаемой при этом энергии превращается в биологически доступную форму – аденозинтрифосфат (АТФ). Этот процесс энергетически очень выгоден: анаэробные бактерии при разложении одной молекулы глюкозы получают только 2 молекулы АТФ, а аэробные бактерии, использующие кислород, – 36 молекул АТФ.

С появлением достаточного для аэробного образа жизни количества кислорода дебютировали и эукариотные клетки, имеющие в отличие от бактерий ядро и такие органеллы, как митохондрии, лизосомы, а у водорослей и высших растений – хлоропласты, где совершаются фотосинтетические реакции. По поводу возникновения и развития эукариот существует интересная и вполне обоснованная гипотеза, высказанная почти 30 лет назад американским исследователем Л.Маргулисом.

Согласно этой гипотезе митохондрии, выполняющие функции фабрик энергии в эукариотной клетке, – это аэробные бактерии, а хлоропласты растительных клеток, в которых происходит фотосинтез, – цианобактерии, поглощенные, вероятно, около 2 млрд лет назад примитивными амебами. В результате взаимовыгодных взаимодействий поглощенные бактерии стали внутренними симбионтами и образовали с поглотившей их клеткой устойчивую систему – эукариотную клетку.

Прежде всего это было связано с появлением полового размножения. И если бактерии и одноклеточные эукариоты размножались, производя генетически идентичные копии самих себя и не нуждаясь в половом партнере, то половое размножение у более высокоорганизованных эукариотных организмов происходит следующим образом.

Две гаплоидные, имеющие одинарный набор хромосом половые клетки родителей, сливаясь, образуют зиготу, имеющую двойной набор хромосом с генами обоих партнеров, что создает возможности для новых генных комбинаций. Возникновение полового размножения привело к появлению новых организмов, которые и вышли на арену эволюции.

Три четверти всего времени существования жизни на Земле она была представлена исключительно микроорганизмами, пока не произошел качественный скачок эволюции, приведший к появлению высокоорганизованных организмов, включая человека. Проследим основные вехи в истории жизни на Земле по нисходящей линии.

1,2 млрд лет назад произошел взрыв эволюции, обусловленный появлением полового размножения и ознаменовавшийся появлением высокоорганизованных форм жизни – растений и животных.

Образование новых вариаций в смешанном генотипе, возникающем при половом размножении, проявилось в виде биоразнообразия новых форм жизни.

2 млрд лет назад появились сложноорганизованные эукариотные клетки, когда одноклеточные организмы усложнили свое строение за счет поглощения других прокариотных клеток. Одни из них – аэробные бактерии – превратились в митохондрии – энергетические станции кислородного дыхания. Другие – фотосинтетические бактерии – начали осуществлять фотосинтез внутри клетки-хозяина и стали хлоропластами в клетках водорослей и растений. Эукариотные клетки, имеющие эти органеллы и четко обособленное ядро, включающее генетический материал, составляют все современные сложные формы жизни – от плесневых грибов до человека.

3,9 млрд лет назад появились одноклеточные организмы, которые, вероятно, выглядели, как современные бактерии, и архебактерии. Как древние, так и современные прокариотные клетки устроены относительно просто: они не имеют оформленного ядра и специализированных органелл, в их желеподобной цитоплазме располагаются макромолекулы ДНК – носители генетической информации, и рибосомы, на которых происходит синтез белка, а энергия производится на цитоплазматической мембране, окружающей клетку.

4 млрд лет назад загадочным образом возникла РНК. Возможно, что она образовалась из появившихся на первобытной земле более простых органических молекул. Полагают, что древние молекулы РНК имели функции носителей генетической информации и белков-катализаторов, они были способны к репликации (самоудвоению), мутировали и подвергались естественному отбору. В современных клетках РНК не имеют или не проявляют этих свойств, но играют очень важную роль посредника в передаче генетической информации с ДНК на рибосомы, в которых происходит синтез белков.

Размышления на тему самой возможности возникновения жизни

Нас учат, что в результате стечения ряда каких-то неизвестных нам условий (давление, температура, электрические разряды, влажность и т.п.) некие атомы неорганических веществ соединились в первичную молекулу, способную к созданию точной своей копии, т.е. к размножению. Это и стало первым шагом к возникновению живой природы со всем ее грандиозным многообразием и поразительной взаимозависимостью всего живого между собой и со всей Вселенной.

Делящиеся молекулы видоизменялись под действием все тех же внешних условий, под их же воздействием они объединялись в постепенно усложняющиеся группы. Так появились простейшие организмы, одноклеточные, которых трудно отнести определенным образом к растениям или к животным.

Затем действие механизма естественного отбора (по Дарвину) привело к последовательной эволюции видов, в конце (или на вершине) которой стоит человек – вид "гомо сапиенс", к которому мы и принадлежим.

Изложено, разумеется, упрощенно, но достаточно, чтобы подчеркнуть основное: первая молекула живой природы (и все ее "собратья по удаче") появилась не в результате осуществления какого-то плана, существовавшего ранее этих молекул, а совершенно случайно, как случайно падает на орла или решку подброшенная вверх и вращающаяся в полете симметричная тонкая монета.

Нужно добавить, что, согласно этой теории, необозримые человеком около пяти миллиардов лет, составляющие возраст Земли, – это время, достаточное для того, чтобы слепым перебором случайных вариантов получить столь блистательный результат – поразительную гармонию окружающей нас природы, когда миллионы различных видов животных и растений, включая и человека с его интеллектом, дополняют друг друга в экологических нишах.

Именно такое представление я вынес из того, чему меня учили много лет, из того, что называют наукой. Двинемся дальше, пользуясь методикой, которую мы привыкли называть научной и которая помогает нам в познании. Методикой, исходящей из доказанных фактов, пользующейся логикой и количественными оценками там, где это только возможно. Мне эта методика нравится и сегодня.

Так вот, два кита, на которых базируется любая теория эволюции видов, в том числе и теория Дарвина, это: случайность и колоссальное время, в течение которого происходил случайный перебор вариантов сочетания элементов, прежде чем это сочетание стало первой живой молекулой. Согласно этим теориям, миллиарды лет привели к возникновению жизни в ее современных формах. Замечу, кстати, что примерно в 1983 г. в журнале "Наука и жизнь" появились данные о том, что, по исследованиям, проведенным в древних почвах Гренландии, живые организмы существовали примерно 4 миллиарда лет назад, тогда как возраст Земли оценивается в 4,5 миллиарда лет, т.е. неживая и живая природа – почти ровесники.

Чтобы раз и навсегда освободиться от гипноза кажущейся грандиозности этих миллиардов лет, сделаем очень несложную оценку вероятности возникновения одной из простейших молекул ДНК (одной из простейших!), лежащих в основе живой материи. В одной из книжек я встречал такую цифру: сложность одной из наиболее простых молекул ДНК такова, что из входящих в нее элементов можно сделать 10¹³⁰(!) различных комбинаций. Следовательно, вероятность того, что случайно, в первой же попытке, "сложится" именно та комбинация, которая оказалась "жизнеспособной", равна 10^-130, т.е. эта вероятность практически равна нулю.

Можно предположить: ну и что с того? Первая, вторая, третья, миллионная попытки неудачны, а какая-нибудь, наконец-то, даст ту самую жизнеспособную комбинацию. Времени-то много, даже если это "всего лишь" 500 миллионов лет! А так ли уж это много? Допустим, некий Слепой Случай делал эти попытки даже с колоссальной частотой. Например, 10⁶ (т.е. миллион) попыток в секунду. Если учесть, что удар молнии длится в среднем около пяти микросекунд, то за время удара молнии Слепой Случай проделает пять-шесть своих попыток. Эта частота настолько велика, что в живой природе она не встречается, но для того, чтобы продолжить выкладки, – почему бы не помочь Случаю?

Вселенная, по тем же оценкам, существует порядка 20 миллиардов лет, т.е. 20, умноженные на 10⁹ лет. Для упрощения записи завысим эту величину в полтора раза и получим возраст Вселенной, равный 10²⁴ микросекунд. При всей грандиозности этого числа оно показывает, что Слепой Случай из 10¹³⁰ попыток за все эти 30 миллиардов лет сумел использовать всего лишь 10²⁴ попыток, т.е. он практически не сдвинулся никуда. Никуда! Да и то: при этом Слепому Случаю нужно, быть не совсем уж слепым – он в своих бессмысленных и производимых наугад попытках не должен повторять уже испытанные комбинации. В противном случае ему нужно будет сделать гораздо больше попыток, чем 10¹³⁰. Это – весьма существенно!

А нужна ли нам стопроцентная гарантия удачи эксперимента? Ведь происходят же события со сравнительно низкой вероятностью. Конечно, происходят. Как есть и некоторая, хотя и ничтожная вероятность того, что подброшенная и вращающаяся в полете монета станет на жестком полу на ребро, а не ляжет плашмя. Но на это никто никогда не надеется, и такую вероятность не принимают в расчет, даже если от этого многое зависит. Пока лишь отметим, что возраст Вселенной, каким он фигурирует в современной науке, – это ничтожно малая величина сравнительно с количественной сложностью самой простой из молекул ДНК, а не то что в сравнении со сложностью любого живого организма. Даже одноклеточного. Не говоря уже о человеке.

Правда, мы упускаем из виду, что Слепой Случай мог проводить не один эксперимент в данный момент времени, а множество – в различных точках не только поверхности Земли, но и в слоях, близких к ее поверхности. Тогда вероятность случайного возникновения жизни на Земле возрастет на много десятичных порядков. И это, если уж пользоваться терминологией теории вероятности, тоже гораздо вероятнее, чем один эксперимент на всей планете "в данную микросекунду".

Это, несомненно, так. И я даже готов рассмотреть проведение таких экспериментов во всем объеме не только земного шара, но и всей Вселенной, какой она оценивается современной наукой.

По оценке, известной и в популярной литературе, масса Вселенной составляет примерно 10⁸⁰ масс атома водорода. Следовательно, если бы она состояла только из водорода (и не имела бы более тяжелых элементов – еще один большой подарок Слепому Случаю, но уже во вселенском масштабе), то и тогда во всей Вселенной было бы только 10⁸⁰ материальных точек. Количество возможных мест проведения эксперимента во Вселенной меньше этого числа, т.к. остальные элементы тяжелее водорода. И во много раз. Я уже даже не считаю нужным учитывать, что в каждом эксперименте по созданию исходного "живого материала" участвуют десятки тысяч атомов более тяжелых элементов. В соответствующее число раз снижается и оценка количества материальных точек во Вселенной, в которых можно представить одновременное проведение таких экспериментов. Но не будем учитывать и это. Пусть знает Слепой Случай нашу доброту.

Так вот, пусть Слепой Случай все эти 30 миллиардов лет проделывает свои неосмысленные эксперименты с частотой 1 млн попыток в секунду во всех материальных точках Вселенной одновременно. При этом он сможет проделать "всего лишь" число попыток, равное 10²⁴, умноженные на 10⁸⁰. Это равно 10¹⁰⁴попыток. Не следует забывать, что это число получено с запасом во много десятичных порядков, при учете которых оно было бы соответственно меньше. Но, зная, чем закончится этот расчет, можно позволить себе и такую щедрость. Грандиозна необозримость этого числа: 10¹⁰⁴! Но за 30 миллиардов лет, делая миллион попыток в секунду, вероятность хоть где-то во всей Вселенной один раз все-таки случайно "наткнуться" на ту самую молекулу ДНК, которая имеет заданную жизнеспособную структуру, остается ничтожно малой и составляет 10^-26 (это: 10^-130, умноженные на 10¹⁰⁴). Число это все еще практически неотличимо от нуля. Число, которому люди даже не придумали названия за его практической ненадобностью! Это – единица, деленная на сто миллиардов миллиардов миллиардов. Такая вот ничтожная вероятность.

Конечно, можно было бы придраться к тому, что эти цифры неопровержимы только в том случае, если в числе 10¹³⁰ комбинаций только одна единственная комбинация "жизнетворна". А если таких комбинаций много? Но я учитываю и это, хотя слово "учитываю" далее не может иметь столь очевидную количественную оценку. В приведенной выше оценке я увеличил Землю до размеров Вселенной (всего лишь!), которая содержит множество галактик, включающих многие миллионы систем, эквивалентных Солнечной системе, на фоне которой так мала наша Земля. Поэтому даже если число "жизнетворных" комбинаций имеет порядок отношения массы Вселенной к массе нашей крошечной Земли (и это грандиозное отношение тоже трудно себе представить), то и тогда мы лишь приблизимся к вероятности 10^-26. Т.е. приблизимся к полученной нами вероятности создания именно на Земле одной уникальной "жизнетворной" молекулы в единственном экземпляре за время, превышающее возраст Земли в шесть раз!

Есть существенный довод за то, что среди числа возможных "жизнетворных" комбинаций существует если не одна, то не много. Об этом говорит то, что окружающий нас мир построен из крайне ограниченного числа исходных "кирпичиков", а простейшие одноклеточные имеют единую "конструктивную базу", как у амебы, так и у клеток нашего организма.

Все ли факторы нами учтены? Разумеется, не все. Я бы указал еще на необходимость учета следующих факторов, часть которых, полагаю, и вовсе не поддается количественной оценке, включая и самый главный.

1. Мы оставили в стороне исходный вопрос – создание неживой природы после Большого Взрыва, с которого, согласно науке, началась Вселенная. Случайны ли процессы при создании химических элементов и систем небесных тел? Какова вероятность такой их реализации, которая ведет к возникновению жизни? Ведь и неживая природа поразительно гармонична.

2. Какова вероятность на базе простейших молекул ДНК получить хотя бы простейшие организмы?

3. Какова вероятность от простейших организмов путем эволюции перейти к высшим организмам, в том числе – к млекопитающим? Ведь переход от простого к сложному противоречит ряду известных законов природы.

4. Какова вероятность, что млекопитающие в процессе эволюции станут "гомо сапиенсами", обладающими разумом и всем тем, что делает человека качественно отличным от животного, хотя наука не в состоянии четко сформулировать суть этого отличия? Даже юридически отличие человека от животного не определено (см. книгу Веркора "Люди или животные"). Проделанные выше количественные оценки с достаточностью предостерегают от привычного пренебрежения длительностью протекания процесса исходного случайного возникновения жизни на фоне возраста не только Земли, но и всей Вселенной. Очевидно, что учет перечисленных выше четырех факторов на многие десятичные порядки снизил бы вероятность происхождения человека в результате случайного стечения обстоятельств.

Но есть еще и пятый фактор. На мой взгляд, он наиболее существенен, хотя нет даже подхода к его количественной оценке. Это – ответ на известный вопрос: "Кто же запустил часы?" Именно в такой формулировке мне довелось читать научный спор об этом. Ясного ответа на вопрос тот научный источник, разумеется, не содержал. Вопрос следующий: что же качественно отличает живое от неживого?

Допустим, что мы, зная структуру молекулы ДНК и имея неограниченные возможности располагать в пространстве атомы любых элементов, сложили бы эту единственную (или не единственную, но "животворную", в данном случае – не все ли равно?) комбинацию. Где гарантия, что этим была бы создана функционирующая молекула, а не ее мертвая модель? Ведь труп отличается от живого организма не атомарным составом, а чем-то еще! Чем же отличается? Вот к чему и относится вопрос о запуске часов. Допустим, собраны детали часов, причем, собраны правильно, хотя и получилось это совершенно случайно. Но маятник часов неподвижен, пружина не заведена. Часы нужно запустить, как бы "вдохнуть в них жизнь".

По отношению к живой природе ответа на вопрос этот наука не дает и, скорее всего, не даст (а если и даст – то не наука, ибо это – не ее предмет).

Несколько теорий возникновения жизни

Теории, касающиеся возникновения Земли и жизни на ней, да и всей Вселенной, разнообразны и далеко не достоверны. Согласно теории стационарного состояния, Вселенная существовала вечно. Согласно другим гипотезам, Вселенная могла возникнуть из сгустка нейтронов в результате «Большого взрыва», родилась в одной из черных дыр или же была создана Творцом. Вопреки бытующим представлениям, наука не может опровергнуть тезис о божественном сотворении Вселенной, так же как теологические взгляды не обязательно отвергают возможность того, что жизнь в процессе своего развития приобрела черты, объяснимые на основе законов природы.

В разное время относительно возникновения жизни на Земле выдвигались следующие Гипотезы:

Теории самозарождения и стационарного состояния представляют собой только исторический или философский интерес, так как результаты научных исследований противоречат выводам этих теорий.

Теория панспермии не решает принципиального вопроса о возникновении жизни, она только отдаляет его в ещё более туманное прошлое Вселенной, хотя и не может исключаться как гипотеза о начале жизни на Земле.

В зависимости от того, что считается первичным, различают два методологических подхода к вопросу возникновения жизни:

Генобиоз — методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода.

Голобиоз — методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на идее первичности структур, наделённых способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма.

В 1924 году будущий академик Опарин опубликовал статью «Происхождение жизни», которая в 1938 году была переведена на английский и возродила интерес к теории самозарождения . Опарин предположил, что в растворах высокомолекулярных соединений могут самопроизвольно образовываться зоны повышенной концентрации, которые относительно отделены от внешней среды и могут поддерживать обмен с ней. Он назвал их Коацерватные капли, или просто коацерваты.

Согласно его теории процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделён на три этапа:

Астрономические исследования показывают, что как звёзды, так и планетные системы возникли из газопылевого вещества. Наряду с металлами и их оксидами в нём содержались водород, аммиак, вода и простейший углеводород — метан.

Условия для начала процесса формирования белковых структур установились с момента появления первичного океана. В водной среде производные углеводородов могли подвергаться сложным химическим изменениям и превращениям. В результате такого усложнения молекул могли образоваться более сложные органические вещества, а именно углеводы.

Наука доказала, что в результате применения ультрафиолетовых лучей можно искусственно синтезировать не только аминокислоты, но и другие биохимические вещества. Согласно теории Опарина, дальнейшим шагом по пути к возникновению белковых тел могло явиться образование коацерватных капель. При определённых условиях водная оболочка органических молекул приобретала чёткие границы и отделяла молекулу от окружающего раствора. Молекулы, окружённые водной оболочкой, объединялись, образуя многомолекулярные комплексы — коацерваты.

Коацерватные капли также могли возникать при простом смешивании разнообразных полимеров. При этом происходила самосборка полимерных молекул в многомолекулярные образования — видимые под оптическим микроскопом капли.

Капли были способны поглощать извне вещества по типу открытых систем. При включении в коацерватные капли различных катализаторов (в том числе и ферментов) в них происходили различные реакции, в частности полимеризация поступающих из внешней среды мономеров. За счёт этого капли могли увеличиваться в объёме и весе, а затем дробиться на дочерние образования. Таким образом, коацерваты могли расти, размножаться, осуществлять обмен веществ.

Далее коацерватные капли подвергались естественному отбору, что обеспечило их эволюцию.

Подобные взгляды также высказывал британский биолог Джон Холдейн.

Проверил теорию Стэнли Миллер в 1953 году в эксперименте Миллера — Юри. Он поместил смесь H₂O, NH₃, CH₄, CO₂, CO в замкнутый сосуд(рис. 1) и стал пропускать через неё электрические разряды. Оказалось, что образуются аминокислоты. Позднее в разных условиях были получены другие сахара и нуклеотиды. Он сделал вывод, что эволюция может произойти при фазовообособленном состоянии из раствора (коацерватов). Однако, такая система не может сама себя воспроизводить.

Теория была обоснована, кроме одной проблемы, на которую долго закрывали глаза почти все специалисты в области происхождения жизни. Если спонтанно, путём случайных безматричных синтезов в коацервате возникали единичные удачные конструкции белковых молекул (например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному коацервату в росте и размножении), то как они могли копироваться для распространения внутри коацервата, а тем более для передачи коацерватам-потомкам? Теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного воспроизведения — внутри коацервата и в поколениях — единичных, случайно появившихся эффективных белковых структур. Однако, было показано, что первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липидов, синтезированных абиогенным путем, и они могли вступить в симбиоз с «живыми растворами» — колониями самовоспроизводящихся молекул РНК, среди которых были и рибозимы, катализирующие синтез липидов, а такое сообщество уже можно назвать организмом.

Мир РНК как предшественник современной жизни

К XXI веку теория Опарина—Холдейна, предполагающая изначальное возникновение белков, практически уступила место более современной. Толчком к её разработке послужило открытие рибозимов — молекул РНК, обладающих ферментативной активностью и поэтому способных соединять в себе функции, которые в настоящих клетках в основном выполняют по отдельности белки и ДНК, то есть катализирование биохимических реакций и хранение наследственной информации. Таким образом, предполагается, что первые живые существа были РНК-организмами без белков и ДНК, а прообразом их мог стать автокататилический цикл, образованный теми самыми рибозимами, способными катализировать синтез своих собственных копий.

Согласно теории Панспермии, предложенной в 1865 году немецким ученым Г. Рихтером и окончательно сформулированной шведским ученым Аррениусом в 1895 году, жизнь могла быть занесена на Землю из космоса. Наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения с метеоритами и космической пылью. Это предположение основывается на данных о высокой устойчивости некоторых организмов и их спор к радиации, глубокому вакууму, низким температурам и другим воздействиям. Однако до сих пор нет достоверных фактов, подтверждающих внеземное происхождение микроорганизмов, найденных в метеоритах. Но если бы даже они попали на Землю и дали начало жизни на нашей планете, вопрос об изначальном возникновении жизни оставался бы без ответа.

Фрэнсис Крик и Лесли Оргел предложили в 1973 году другой вариант — управляемую панспермию, то есть намеренное «заражение» Земли (наряду с другими планетными системами) микроорганизмами, доставленными на непилотируемых космических аппаратах развитой инопланетной цивилизацией, которая, возможно, находилась перед глобальной катастрофой или же просто надеялась произвести терраформирование других планет для будущей колонизации^[4]. В пользу своей теории они привели два основных довода — универсальность генетического кода (известные другие вариации кода используются в биосфере гораздо реже и мало отличаются от универсального) и значительную роль молибдена в некоторых ферментах. Молибден — очень редкий элемент для всей Солнечной системы. По словам авторов, первоначальная цивилизация, возможно, обитала возле звезды, обогащённой молибденом.

Против возражения о том, что теория панспермии (в том числе управляемой) не решает вопрос о зарождении жизни, они выдвинули следующий аргумент: на планетах другого неизвестного нам типа вероятность зарождения жизни изначально может быть намного выше, чем на Земле, например, из-за наличия особенных минералов с высокой каталитической активностью.

В 1981 году Ф. Крик написал книгу «Life itself: its origin and nature», в которой он более подробно, чем в статье, и в популярной форме излагает гипотезу управляемой панспермии.

Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Древнем Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Аристотель (384—322 гг. до н. э.), которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения жизни. Согласно этой гипотезе, определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, считая, что это активное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном свете, тине и гниющем мясе.

С распространением христианства теория спонтанного зарождения жизни оказалась не в чести, но эта идея все продолжала существовать где-то на заднем плане в течение ещё многих веков.

Известный ученый Ван Гельмонт описал эксперимент, в котором он за три недели якобы создал мышей. Для этого нужны были грязная рубашка, тёмный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом в процессе зарождения мыши Ван Гельмонт считал человеческий пот.

В 1688 году итальянский биолог и врач Франческо Реди подошел к проблеме возникновения жизни более строго и подверг сомнению теорию спонтанного зарождения. Реди установил, что маленькие белые червячки, появляющиеся на гниющем мясе, — это личинки мух. Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждающие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза).

Эти эксперименты, однако, не привели к отказу от идеи самозарождения, и хотя эта идея несколько отошла на задний план, она продолжала оставаться главной версией зарождения жизни.

В то время как эксперименты Реди, казалось бы, опровергли спонтанное зарождение мух, первые микроскопические исследования Антони ван Левенгука усилили эту теорию применительно к микроорганизмам. Сам Левенгук не вступал в споры между сторонниками биогенеза и спонтанного зарождения, однако его наблюдения под микроскопом давали пищу обеим теориям.

В 1860 году проблемой происхождения жизни занялся французский химик Луи Пастер. Своими опытами он доказал, что бактерии вездесущи и что неживые материалы легко могут быть заражены живыми существами, если их не стерилизовать должным образом. Учёный кипятил в воде различные среды, в которых могли бы образоваться микроорганизмы. При дополнительном кипячении микроорганизмы и их споры погибали. Пастер присоединил к S-образной трубке запаянную колбу со свободным концом. Споры микроорганизмов оседали на изогнутой трубке и не могли проникнуть в питательную среду. Хорошо прокипяченная питательная среда оставалась стерильной, в ней не обнаруживалось зарождения жизни, несмотря на то, что доступ воздуха был обеспечен.

В результате ряда экспериментов Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения.

Согласно теории стационарного состояния, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно. Согласно этой версии, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности — либо изменение численности, либо вымирание.

Однако гипотеза стационарного состояния в корне противоречит данным современной астрономии, которые указывают на конечное время существования любых звёзд и, соответственно, планетных систем вокруг звёзд. По современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада, возраст Земли, Солнца и Солнечной системы исчисляется ~4,6 млрд лет. Поэтому эта гипотеза обычно не рассматривается академической наукой.

Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводит в качестве примера представителя кистеперых рыб — латимерию (целаканта). По палеонтологическим данным кистеперые вымерли в конце мелового периода. Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в районе Мадагаскара были найдены живые представители кистеперых. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте. Так, например, внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков.

Креационизм (от англ. creation — создание) — религиозно-философская концепция, в рамках которой всё многообразие органического мира, человечества, планеты Земля, а также мир в целом, рассматриваются как намеренно созданные неким верховным существом или божеством. Теория креационизма, отсылая ответ на вопрос о возникновении жизни к религии (сотворение жизни Богом), по критерию Поппера находится вне поля научных изысканий (так как она неопровержима: научными методами невозможно доказать, как то, что Бог не сотворял жизни, так и то, что Бог ее сотворял). Кроме того, эта теория не дает удовлетворительного ответа на вопрос о причинах возникновения и существования самого верховного существа, обычно просто постулируя его безначальность.

До настоящего времени в научной и общеобразовательной среде основной теорией возникновения жизни на Земле во всём её многообразии считалась теория эволюции. Эта теория возникла благодаря трудам семейства Дарвинов: врача, натуралиста и поэта Эразма Дарвина (1731-1802), предложившего теорию эволюции в 1790-е годы, и, особенно, его внука-естествоиспытателя Чарльза Дарвина (1809-1882), опубликовавшего в 1859 году свою теперь знаменитую книгу "О происхождении видов путём естественного отбора или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь".
Теория эволюции, которую часто называют Дарвиновской теорией или дарвинизмом, возникла не на пустом месте. Ко времени Дарвина общепризнанной стала космологическая теория Эммануила Канта, с его бесконечной в пространстве и во времени Вселенной, подчинённой законам механики, описанным Исааком Ньютоном. Кроме этого английский учёный Чарльз Лайель (1797-1875) подтвердил теорию так называемого униформизма, предложенную учёным 18 века Джейсоном Хаттоном (1726-1797), согласно которой Земля образовалась в течение миллионов лет в результате медленных и постепенных процессов, которые происходят и сегодня. Этот вывод Лайель обосновал в 3-х томах "Основы геологии", опубликованных в 1830-1833 годах.
Таким образом был создан фундамент теории эволюции, на котором Чарльз Дарвин создал стройное здание своей теории публикацией книг: "Происхождение видов", "Изменение домашних животных и культурных растений", "Происхождение человека и половой отбор" и других

По Дарвину эволюция, т.е. история развития органического мира Земли, осуществляется в результате взаимодействия трёх основных факторов: изменчивости, наследственности и естественного отбора. Благодаря этим факторам организмы в процессе развития накапливают всё новые приспособительные признаки, что в конечном итоге ведёт к образованию новых видов.
В поддержку теории Дарвина сразу же было предложено 2 аргумента: рудиментарные органы и теория эмбриональной рекапитуляции.
Так был составлен список из 180 человеческих рудиментов - органов, утративших своё назначение в процессе его развития из низших форм, т.е. органов которые человеку уже не нужны и их можно удалить. Однако по мере изучения этих рудиментов (например, аппендикса), учёные вычёркивали из списка орган за органом, пока не вычеркнули все. Спустя 100 лет физиологи не считают бесполезным ни один из человеческих органов.
Довольно скоро приказала долго жить и теория эмбриональной рекапитуляции, предложенная в 1868 году немецким зоологом Эрнстом Геккелем, сторонником и пропагандистом учения Дарвина. Эта теория основана на видимом сходстве эмбрионов человека и собаки в возрасте 4-х недель, а также наличием у человеческого эмбриона так называемых "жаберных щелей" и "хвоста".
На самом деле оказалось, что Геккель подделал иллюстрации (подретушировал их), за это учёный совет университета Иены признал Геккеля виновным в научном мошенничестве, а его теорию несостоятельной. Но в СССР, почти до его распада, в учебниках упорно приводились картинки эмбрионов, якобы подтверждающие теорию рекапитуляции, давно отвергнутую учёными-эмбриологами в остальном мире.

Многие из этих «теорий» и предлагаемые ими объяснения существующего разнообразия видов используют одни и те же данные, но делают упор на разные их аспекты. Научные теории могут быть сверхфантастическими с одной стороны, и сверхскептическими – с другой. Теологические соображения тоже могут найти себе место в этих рамках в зависимости от религиозных взглядов их авторов. Одним из главных пунктов разногласий, даже еще в додарвиновские времена, бал вопрос о соотношении между научными и теологическими взглядами на историю жизни.

Возникно­вение жизни

Размышления на тему самой возможности возникновения жизни

Несколько теорий возникновения жизни

Возникновение жизни