Происхождение жизни на Земле: гипотезы, теории, основные концепции

Известно, что научные журналы стараются не принимать к публикации статьи, посвященные проблемам, привлекающим всеобщее внимание, но не имеющим четкого решения, - серьезное издание по физике не будет публиковать проект вечного двигателя. Такой темой стало происхождение жизни на Земле. Вопрос о возникновении живой природы, о появлении человека волнует думающих людей многие тысячелетия, а однозначный ответ нашли для себя только креационисты – сторонники божественного происхождения всего сущего, но научной эта теория не является как не подлежащая проверке.

Взгляды древних

О появлении живых существ из воды и гниющих остатков повествуют древнекитайские и древнеиндийские рукописи, о рождении земноводных существ в илистых отложениях больших рек написано древнеегипетскими иероглифами и клинописью Древнего Вавилона. Гипотезы происхождения жизни на Земле путем самозарождения для мудрецов далекого прошлого были очевидны.

Античные философы также приводили примеры появления животных из неживой материи, но их теоретические обоснования имели разную природу: материалистическую и идеалистическую. Демокрит (460-370 до н. э.) находил причину возникновения жизни в особом взаимодействии мельчайших, вечных и неделимых частиц – атомов. Платон (428-347 до н. э.) и Аристотель (384-322 до н. э.) происхождение жизни на Земле объясняли чудесным воздействием на безжизненную материю высшего начала, вселяющего душу в объекты природы.

Идея о существовании некой «жизненной силы», способствующей появлению живых существ, оказалась очень стойкой. Она формировала взгляды на происхождение жизни на Земле у многих ученых, живших в средние века и позднее, вплоть до конца XIX века.

Теория самозарождения

Антони ван Левенгук (1632-1723 гг.) с изобретением микроскопа сделал открытые им мельчайшие микроорганизмы главным предметом спора между учеными, разделявшими две основные теории происхождения жизни на Земле – биогенез и абиогенез. Первые считали, что все живое может быть порождением только живого, вторые полагали возможным самозарождение органической материи в растворах, помещенных в особые условия. Суть этого спора не изменилась до сих пор.

Эксперименты одних натуралистов доказывали возможность самопроизвольного возникновения простейших микроорганизмов, сторонники биогенеза полностью отрицали такую вероятность. Луи Пастер (1822-1895 гг.) строго научными методами, высокой корректностью своих опытов доказал отсутствие мифической жизненной силы, передающейся по воздуху и порождающей живые бактерии. Однако в своих работах он допускал возможность самозарождения в каких-то особых условиях, выяснить которые предстояло ученым будущих поколений.

Теория эволюции

Труды великого Чарльза Дарвина (1809-1882 гг.) потрясли основы многих естественных наук. Провозглашенное им появление огромного многообразия биологических видов от одного общего предка опять сделало происхождение жизни на Земле важнейшим вопросом науки. Теория естественного отбора и в начале с трудом находила своих сторонников, и теперь подвергается критическим атакам, которые выглядят достаточно обоснованно, но именно дарвинизм лежит в основе современных естественных наук.

После Дарвина происхождение жизни на Земле биология не могла рассматривать с прежних позиций. Ученые многих отраслей биологической науки убеждались в истинности эволюционного пути развития организмов. Пусть во многом изменились современные взгляды на общего предка, помещенного Дарвиным в основание Древа жизни, но истинность общей концепции незыблема.

Теория стационарного состояния

Лабораторное опровержение спонтанного самозарождения бактерий и других микроорганизмов, осознание сложного биохимического строения клетки вместе с идеями дарвинизма оказали особое влияние на появление альтернативных вариантов теории происхождения жизни на Земле. В 1880 году одно из новых суждений предложил Вильям Прейер (1841-1897 гг.). Он считал, что нет необходимости говорить о рождении жизни на нашей планете, так как она существует вечно, и у неё не было начала как такового, она неизменна и постоянно готова к возрождению в любых подходящих условиях.

Идеи Прейера и его последователей представляют собой только чисто исторический и философский интерес, потому что в дальнейшем астрономы и физики рассчитали сроки конечного существования планетарных систем, зафиксировали постоянное, но неуклонное расширение Вселенной, т. е. она никогда не была ни вечной, ни постоянной.

Стремление рассматривать мир как единую глобальную живую сущность перекликалось со взглядами великого ученого и философа из России - Владимира Ивановича Вернадского (1863-1945 гг.), также имевшего своё представление о происхождении жизни на Земле. Оно основывалось на понимании жизни как неотъемлемой характеристики Вселенной, космоса. По мнению Вернадского, то, что наука не смогла найти пластов, не содержавших следов органических веществ, говорило о геологической вечности жизни. Одним из способов, которым жизнь появилась на молодой планете, Вернадский называл её контакты с космическими объектами – кометами, астероидами и метеоритами. Тут его теория смыкалась с другой версией, объяснявшей происхождение жизни на Земле методом панспермии.

Колыбель жизни – космос

Панспермия (греч. - "семенная смесь", "семена повсюду") считает жизнь фундаментальным свойством материи и не объясняет способов её возникновения, но называет космос источником зародышей жизни, которые попадают на небесные тела с подходящими для их «прорастания» условиями.

Первое упоминание об основных концепциях панспермии можно найти в сочинениях древнегреческого философа Анаксагора (500-428 до н. э.), а в XVIII веке о ней высказывался французский дипломат и геолог Бенуа де Майе (1656-1738 гг.). Реанимировали эти идеи Сванте Август Аррениус (1859-1927 гг.), лорд Кельвин Уильям Томсон (1824-1907 гг.) и Герман фон Гельмгольц (1821-1894 гг.).

Исследование жестокого влияния на живые организмы космического излучения и температурных условий межпланетного пространства сделало подобные гипотезы происхождения жизни на Земле не слишком актуальными, но с началом космической эры интерес к панспермии усилился.

В 1973 году нобелевский лауреат Френсис Крик (1916-2004 гг.) высказал мысль о внеземном производстве молекулярных живых систем и попадании их на Землю с метеоритами и кометами. При этом шансы абиогенеза на нашей планете им оценивались как очень низкие. Происхождение и развитие жизни на Земле методом самосборки органического вещества высокого уровня видный ученый не считал реальностью.

Окаменевшие биологические структуры находили в метеоритах по всей планете, подобные следы нашли в образцах грунта, доставленных с Луны и Марса. С другой стороны, проводятся многочисленные эксперименты по обработке биоструктур воздействиями, возможными при нахождении их в космическом пространстве и при прохождении атмосферы, подобной земной.

Важный эксперимент был проведен в 2006 году в рамках миссии Deep Impact. Комета Темпеля была протаранена специальным зондом-импактором, выпущенным автоматическим аппаратом. Анализ кометного вещества, которое выделилось в результате удара, показал наличие в нем воды и многообразных органических соединений.

Вывод: со времени появления теория панспермии значительно изменилась. Современная наука по-другому трактует те первичные элементы жизни, которые могли быть доставлены на нашу молодую планету космическими объектами. Исследования и эксперименты доказывают жизнестойкость живых клеток в условиях межпланетного путешествия. Всё это делает идею внеземного происхождения земной жизни актуальной. Основными концепциями происхождения жизни на Земле являются теории, в которые панспермия входит или как главная часть, или как способ доставки на Землю компонентов для создания живой материи.

Теория биохимической эволюции Опарина-Холдейна

Идея самозарождения живых организмов из неорганических веществ всегда оставалась чуть ли не единственной альтернативой креационизму, и в 1924 году вышла монография из 70 страниц, придавшая этой идее силу проработанной и обоснованной теории. Эта работа называлась «Происхождение жизни», автором её был русский ученый - Александр Иванович Опарин (1894-1980 гг.). В 1929 году, когда труды Опарина еще не были переведены на английский язык, похожие концепции происхождения жизни на Земле высказал английский биолог Джон Холдейн (1860-1936 гг.).

Опарин предположил, что, если примитивная атмосфера молодой планеты Земля была восстановительной (то есть не содержащей кислорода), мощный всплеск энергии (например, молния или ультрафиолетовое излучение) мог способствовать синтезу органических соединений из неорганического вещества. В дальнейшем такие молекулы могли образовывать сгустки и скопления – коацерватные капли, представляющие собой протоорганизмы, вокруг которых образуются водные рубашки – зачатки оболочки-мембраны, происходит расслоение, порождающее разность зарядов, значит, движение – начало обмена веществ, зачатки метаболизма и т. д. Коацерваты считались основой для начала эволюционных процессов, которые привели к созданию первых жизненных форм.

Холдейн ввел понятие «первичного бульона» - начального земного океана, ставшего огромной химической лабораторией, подключенной к мощному источнику питания – солнечному свету. Сочетание диоксида углерода, аммиака и ультрафиолетового излучения привело к появлению концентрированной популяции органических мономеров и полимеров. Впоследствии такие образования соединялись с появлением вокруг них липидной мембраны, и их развитие привело к образованию живой клетки.

Основные этапы происхождения жизни на Земле (по Опарину-Холдейну)

Согласно теории возникновения Вселенной из сгустка энергии, Большой Взрыв произошел около 14 млрд лет назад, а около 4,6 млрд лет назад завершилось создание планет Солнечной системы.

Молодая Земля, постепенно охлаждаясь, обрела твердую оболочку, вокруг которой происходило образование атмосферы. Первичная атмосфера содержала водяные пары и газы, в дальнейшем послужившие сырьем для органического синтеза: оксид и диоксид углерода, сероводород, метан, аммиак, цианистые соединения.

Бомбардировка космическими объектами, содержащими воду в замерзшем состоянии, и конденсация водных паров в атмосфере привели к образованию Мирового океана, в котором растворялись различные химические соединения. Мощные грозы сопровождали формирование атмосферы, сквозь которую проникало сильное ультрафиолетовое излучение. В таких условиях происходил синтез аминокислот, сахаров и другой простейшей органики.

В конце первого миллиарда лет существования Земли начался процесс полимеризации в воде простейших мономеров в белки (полипептиды) и нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды). Они начали образовывать предбиологические соединения – коацерваты (с зачатками ядра, метаболизма и мембраны).

3,5-3 млрд лет до нашей эры – этап образования протобионтов, обладающих самовоспроизведением, регулируемым обменом веществ, мембраной с изменяемой проницаемостью.

3 млрд лет до н. э. – появление клеточных организмов, нуклеиновых кислот, первичных бактерий, начало биологической эволюции.

Экспериментальные доказательства гипотезы Опарина-Холдейна

Многие ученые положительно оценили основные концепции происхождения жизни на Земле на основе абиогенеза, хотя с самого начала находили в теории Опарина-Холдейна узкие места и недоговоренности. В разных странах начались работы по проведению тестовых исследований гипотезы, из которых наиболее известен классический эксперимент, проведенный в 1953 году американскими учеными Стенли Миллером (1930-2007 гг.) и Гарольдом Юри (1893-1981 гг.).

Суть эксперимента заключалась в моделировании в лаборатории условий ранней Земли, в которых мог происходить синтез простейших органических соединений. В приборе циркулировала газовая смесь, аналогичная по составу первичной земной атмосфере. Конструкция прибора обеспечивала имитацию вулканической деятельности, а пропускаемые через смесь электрические разряды создавали эффект молний.

После недельного циркулирования смеси по системе был отмечен переход десятой части углерода в органические соединения, были обнаружены аминокислоты, сахара, липиды и соединения, предшествующие аминокислотам. Повторные и модифицированные опыты полностью подтвердили возможность абиогенеза в имитируемых условиях ранней Земли. В последующие годы в других лабораториях были проведены повторные опыты. К составу газовой смеси добавлялся сероводород как возможный компонент вулканических выделений, вносились другие некардинальные изменения. В большинстве случаев опыт синтеза органических соединений удавался, хотя попытки пойти дальше и получить более сложные элементы, приближающиеся по составу к живой клетке, успехом не увенчались.

Мир РНК

К концу XX века многим ученым, которых не переставала интересовать проблема происхождения жизни на Земле, стало понятно, что при всей стройности теоретических построений и отчетливом опытном подтверждении теория Опарина-Холдейна имеет явные, может быть, непреодолимые изъяны. Главным из них являлась невозможность объяснить появление у протобионтов определяющих для живого организма свойств – размножаться с сохранением наследственных признаков. С открытием генетических клеточных структур, с определением функции и строения ДНК, с развитием микробиологии появился новый кандидат на роль молекулы первожизни.

Им стала молекула рибонуклеиновой кислоты – РНК. Эта макромолекула, входящая в состав всех живых клеток, представляет собой цепь нуклеотидов – простейших органических звеньев, состоящих из атомов азота, моносахарида – рибозы и фосфатной группы. Именно последовательность нуклеотидов является кодом наследственной информации, и у вирусов, например, РНК выполняет ту роль, что у сложных клеточных структур играет ДНК.

Кроме того, учеными открыта уникальная способность некоторых молекул РНК вносить разрывы в другие цепочки или склеивать отдельные элементы РНК, а некоторые играют роль автокатализаторов – то есть способствуют быстрому самовоспроизведению. Относительно небольшие размеры макромолекулы РНК и её упрощенное, по сравнению с ДНК, строение (в одну нить) сделали рибонуклеиновую кислоту главным кандидатом на роль основного элемента добиологических систем.

Окончательно новую теорию возникновения живой материи на планете сформулировал в 1986 году Уолтер Гилберт (род. 1932 г.) – американский физик, микробиолог и биохимик. Не все специалисты были согласны с таким взглядом на происхождение жизни на Земле. Кратко названная «Мир РНК», теория строения добиологического мира нашей планеты не может ответить на простой вопрос, как появилась первая молекула РНК с заданными свойствами, даже если присутствовало огромное количество «строительного материала» в виде нуклеотидов и т. д.

Мир ПАУ

Ответ постарался найти в мае 2004 года Саймон Николас Платтс, а в 2006 году группа ученых под руководством Паскаль Эренфройнд. В качестве исходного материала для РНК с катализирующими свойствами были предложены полиароматические углеводороды.

Мир ПАУ был основан на большой распространенности этих соединений в видимом космосе (они наверняка присутствовали в «первичном бульоне» молодой Земли) и особенностях их кольцеобразного строения, способствующего быстрому соединению с азотистыми основаниями - ключевыми компонентами РНК. Теория ПАУ в очередной раз говорит о злободневности некоторых положений панспермии.

Уникальная жизнь на уникальной планете

Пока у ученых не будет возможности вернуться на 3 млрд лет назад, тайна возникновения жизни на нашей планете не будет раскрыта - к такому выводу приходят многие из тех, кто занимался этой проблемой. Основными концепциями происхождения жизни на Земле являются: теория абиогенеза и теория панспермии. Они могут во многом пересекаться, но, скорее всего, не смогут ответить: как среди огромного космоса появилась удивительно точно сбалансированная система из Земли и её спутника – Луны, как зародилась на ней жизнь…