Концепции возникновения жизни

Американский биолог Ж.Леб в 1912 г. первым получил из смеси газов под действием электрического разряда простейший компонент белков – аминокислоту глицин.

Возможно, кроме глицина  он получил и другие аминокислоты, но в то время еще не было методов, позволяющих определить их малые количества.

Открытие Леба прошло незамеченным, поэтому первый абиогенный    синтез органических веществ (т.е. идущий без участия живых организмов) из случайной смеси газов приписывают американским ученым С.Миллеру и Г.Юри. В 1953 г. они поставили эксперимент по программе, намеченной Опариным, и получили под действием электрических разрядов напряжением до 60 тыс. В, имитирующих молнию, из водорода, метана, аммиака и паров воды под давлением в несколько Паскалей при t=80С сложную смесь из многих десятков органических веществ. Среди них преобладали органические  

(карбоновые) кислоты –  муравьиная, уксусная и яблочная, их альдегиды, а также аминокислоты (в том числе глицин и аланин). Опыты Миллера и Юри были многократно проверены на смесях разных газов и при разных источниках энергии (солнечный свет, ультрафиолетовое и радиоактивное излучение и просто тепло). Органические вещества возникали во всех случаях. Полученные Миллером и Юри результаты побудили ученых различных стран заняться исследованиями возможных путей предбиологической эволюции. В 1957 году в Москве состоялся первый Международный симпозиум по проблеме происхождения жизни.

По данным, полученным в  последнее время нашими учеными, простейшие органические вещества могут  возникать и в космическом  пространстве при температуре, близкой  к абсолютному нулю.  В принципе Земля могла бы получить абиогенные органические вещества и как приданое при возникновении.  

В результате океан превратился  в сложный раствор органических веществ (т.н. первичный океан), которым  в принципе могли бы питаться анаэробные бактерии

- 6 -

(организмы, способные  жить и развиваться при отсутствии  свободного кислорода и получающие  энергию для жизнедеятельности  за счет расщепления органических  или неорганических веществ). Кроме  аминокислот в нем были и  предшественники нуклеиновых кислот  – пуриновые основания, сахара, фосфаты и др.

Однако низкомолекулярные  органические вещества еще не жизнь. Основу жизни представляют биополимеры  – длинные молекулы белков и нуклеиновых  кислот, слагающиеся из звеньев –  аминокислот и нуклеотидов. Реакция  полимеризации первичных звеньев  в водном растворе не идет, так как  при соединении друг с другом двух аминокислот  или двух нуклеотидов отщепляется молекула воды. Реакция в воде пойдет в обратную сторону. Скорость расщепления  (гидролиза) биополимеров будет больше, чем скорость их синтеза. В цитоплазме наших клеток синтез биополимеров  - сложный процесс, идущий с затратой энергии АТФ. Чтобы он шел, нужны ДНК, РНК и белки, которые сами являются результатом этого процесса. Ясно, что биополимеры не могли возникнуть сами в первичном океане.

Возможно, первичный синтез биополимеров шел при замораживании  первичного океана или же при нагревании сухого его остатка. Американский исследователь  С.У. Фокс, нагревая до 130С сухую смесь  аминокислот, показал, что в этом случае реакция полимеризации идет (выделяющаяся вода испаряется) и получаются искусственные протеиноиды, похожие  на белки, имеющие до 200 и более  аминокислот в цепи. Растворенные в воде, они обладали свойствами белков, представляли питательную среду  для бактерий и даже катализировали (ускоряли) некоторые химические реакции, как настоящие ферменты. Возможно, они возникали в предбиологическую эпоху на раскаленных склонах вулканов, а затем дожди смывали их в первичный океан. Есть и такая точка зрения, что синтез биополимеров шел непосредственно в первичной атмосфере и образующиеся соединения выпадали в первичный океан в виде частиц пыли.

Следующий предполагаемый этап возникновения жизни – протоклетки. А.И. Опарин показал, что в стоящих растворах органических веществ образуются  коацерваты – микроскопические «капельки», ограниченные полупроницаемой оболочкой – первичной мембраной. В коацерватах могут концентрироваться органические вещества, в них быстрее идут реакции, обмен веществ с окружающей средой, и они даже могут делиться, как бактерии. Подобный процесс наблюдал при растворении искусственных протеиноидов Фокс, он назвал эти шарики микросферами.

В протоклетках   вроде коацерватов или микросфер шли реакции полимеризации нуклеотидов, пока из них не сформировался  протоген – первичный ген, способный катализировать возникновение определенной аминокислотной последовательности -  первого белка. Вероятно, первым таким белком был предшественник фермента, катализирующего синтез ДНК или РНК. Те протоклетки, в которых возник примитивный механизм  наследственности и белкового синтеза, быстрее делились и забрали в себя все органические вещества первичного океана. На этой стадии шел уже естественный отбор на скорость размножения; любое усовершенствование биосинтеза подхватывалось, и новые протоклетки вытесняли все предыдущие.

Последние этапы возникновения  жизни – происхождение рибосом  и транспортных РНК, генетического  кода и энергетического механизма  клетки с использованием АТФ –  еще не удалось воспроизвести  в лаборатории. Все эти структуры  и процессы имеются уже у самых  примитивных микроорганизмов, и  принцип их строения и функционирования не менялся за всю историю Земли. Поэтому заключительный этап происхождения  жизни мы можем пока реконструировать только предположительно – до тех  пор, пока его не удастся воссоздать в экспериментах.

- 7 -

Пока можно лишь утверждать, что на возникновение жизни в  земном варианте потребовалось относительно мало времени – менее одного млрд. лет. Уже 3,8 млрд. лет назад существовали первые микроорганизмы, от которых  произошло все многообразие форм земной жизни.

Жизнь возникла на земле  абиогенным путем. В настоящее время  живое происходит только от живого (биогенное происхождение). Возможность  повторного возникновения жизни  на земле исключена.   

-8 -

4. Естественнонаучные представления  о жизни и её эволюции 

Дарвин вскрыл движущие силы эволюции живой природы. Он попытался  понять и объяснить действительную природу внутренних противоречий органического  мира. Его теория не только объясняет  характер этих противоречий, но и указывает  пути, по которым они разрешаются  в мире животных и растений.

Значительное место во всех трудах Дарвина, и в частности, в «Происхождении видов», занимают доказательства самого факта органической эволюции.

Сейчас общепризнанно, что  в основе всего живого лежат сходные химические соединения группы белков, среди которых особое положение имеют нуклеопротеиды. Это — соединения белковых тел и нуклеиновых кислот. Нуклеопротеиды составляют основной компонент клеточного ядра растений и животных. Исследования в области молекулярной биологии показали, что нуклеиновые кислоты ответственны за многие важные процессы жизнедеятельности организмов. При этом особую роль играют макромолекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и рибонуклеиновой кислоты. (РНК). Молекула ДНК во взаимодействии с другими субстанциями клетки определяет синтез белка и ферментов, регулирующих обмен веществ в организме. Белки и нуклеопротеиды (в особенности ДНК и РНК) являются обязательной составной частью всех биологических организмов. Следовательно, с точки зрения химической эволюции они лежат в основе жизни всех известных на Земле биологических форм.

Помимо этого между  неживой и живой природой существует извечная, непрерывная связь. «Между косным и живым веществом есть — непрерывная, никогда не прекращающаяся связь, которая может быть выражена как непрерывный биогенный ток  атомов из живого вещества в косное вещество биосферы, и обратно. Этот биогенный ток атомов вызывается живым веществом. Он выражается в непрекращающемся никогда дыхании, питании, размножении и т. п.».

На единство живой природы  указывает и дифференцированность тела животных и растений. Таким образом, единство мира организмов проявляется как в их химическом составе, так и в строении, и функционировании. Этот факт не мог ускользнуть от внимания естествоиспытателей. Идея сходства живых организмов привела Ж. Кювье к учению о типах животного царства. В дальнейшем она получила разработку в трудах К. Бэра, Э. Геккеля, А. О. Ковалевского, И. И. Мечникова, которые доказывали, что сходство животных не может быть объяснено иначе, как общностью их происхождения.

На единство органического  мира указывает и существование  так называемых промежуточных форм, к которым относятся животные и растения, занимающие переходное, промежуточное положение между  крупными таксонами.

В органическом мире нет  жестких границ между его подразделениями. В то же время границы между видами всегда реальны. Дарвин уделяет большое место проблеме вида и видообразования. Не случайно в заглавие его труда вынесены слова «происхождение видов». Как важнейшая единица систематизации вид занимает центральное место в эволюционной теории. Задачей эволюционной теории является объяснение механизма возникновения жизни и изменения реальных видов животных и растений, населяющих Землю.

Доказательством эволюции служит и сходство органов животных, выражающееся в их положении, соотношении в общем плане строения и в развитии из сходного зачатка зародыша. Сходные органы называются гомологичными органами. Эволюционная теория объясняет сходство органов общностью происхождения сравниваемых форм, тогда как сторонники креационистских концепций истолковывали это сходство как волю творца,

- 9 -

создававшего группы животных по определенному плану.

Подтверждением идеи эволюции является отражение истории развития организмов на их строении и на процессах  зародышевого развития, а также географическое распространение организмов.

Особое место в разработке и углублении эволюционных представлений занимает генетика. Представления о неизменности генов начинают преодолеваться в 20—30-е годы XX в. в связи с возникновением популяционной, эволюционной генетики. Выяснение структуры популяций позволило по-новому посмотреть на эволюционные процессы, разыгрывающиеся на популяционном уровне. Генетика дала возможность проследить основные этапы эволюционного процесса от появления нового признака в популяции до возникновения нового вида. Она принесла в исследование внутривидового, микроэволюционного уровня точные экспериментальные методы.

Элементарная единица  наследственности — ген, представляющий собой участок молекулы ДНК, который  определяет развитие элементарных признаков особи. Элементарная эволюционная единица должна отвечать следующим требованиям: конечности деления;

способности наследственного  изменения в смене биологических  поколений; реальности и конкретности существования в естественных условиях. Такой единицей эволюции считается популяция — элементарная единица эволюционного процесса, а наследственное изменение популяции представляет собой элементарное эволюционное явление. Оно отражает изменение генотипической структуры популяции. Ген подвержен мутациям — наследственным изменениям отдельных особей. Мутация — дискретное

изменение кода наследственной информации особи. Различают генные, хромосомные, геномные, а также внеядерные типы мутаций.

Процесс возникновения мутаций  поддерживает очень высокую степень  генетической разнородности природных  популяций. Но, выполняя роль «поставщика» элементарного материала, сам мутационный процесс не направляет ход эволюционных изменений, он обладает вероятностным, статистическим характером.