Проблема возникновения жизни на Земле и варианты её решения

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

3. Теория панспермии

Пастера справедливо считают отцом науки о простейших организмах - микробиологии. Благодаря его работам был дан толчок к обширнейшим исследованиям невидимого простым глазом мира мельчайших существ, населяющих землю, воду и воздух. Эти исследования уже не были направлены, как раньше, на одно только описание форм микроорганизмов; бактерии, дрожжи, инфузории, амебы и т.д. изучались и с точки зрения условий их жизни, их питания, дыхания, размножения, с точки зрения тех изменений, которые они производят в окружающей их среде, и, наконец, с точки зрения их внутренней структуры, их тончайшего строения. Чем дальше шли эти исследования, тем все больше и больше обнаруживалось, что простейшие организмы устроены совсем не так просто, как это думали раньше.

Тело всякого организма - растения, улитки, червя, рыбы, птицы, зверя, человека, - состоит из мельчайших пузырьков, видимых только в микроскоп. Оно составлено из этих пузырьков - клеток, как дом сложен из кирпичей. Разные органы различных животных и растений содержат клетки, отличающиеся друг от друга по своему виду. Приспосабливаясь к той работе, которая возложена на данный орган, клетки, его составляющие, так или иначе, изменяются, но в принципе все клетки всех организмов сходны между собой. Микроорганизмы отличаются только тем, что все их тело состоит всего-навсего из одной-единственной клетки. Это принципиальное сходство всех организмов подтверждает общепринятую теперь в науке мысль, что все живущее на Земле связано, так сказать, кровным родством. Более сложные организмы произошли из более простых, постепенно изменяясь и совершенствуясь. Таким образом, стоит только разъяснить себе образование какого-нибудь простейшего организма - и происхождение всех животных и растений становится понятным.

Но, как уже было сказано, и простейшие, состоящие всего из одной клеточки, представляют себе весьма сложные образования. Их главная составная часть, так называемая протоплазма - это полужидкое, тягучее студенистое вещество, пропитанное водой, но в воде нерастворимое. В состав протоплазмы входит целый ряд исключительно сложных химических соединений (главным образом белков и их производных), которые нигде в другом месте не встречаются, только в организмах. Эти вещества не просто смешаны, а находятся в особом, мало еще до сего времени исследованном состоянии, благодаря которому протоплазма обладает тончайшей, плохо различимой даже в микроскоп, но чрезвычайно сложной структурой. Предположение о том, что такое сложное образование с вполне определенной тонкой организацией могло самопроизвольно зародиться в течение нескольких часов в бесструктурных растворах, какими являются бульоны и настои, так же дико, как и предположение об образовании лягушек из майской росы или мышей из зерна.

Исключительная сложность строения даже наиболее простых организмов так поразила умы некоторых ученых, что они пришли к убеждению о существовании непроходимой пропасти между живым и неживым. Переход неживого в живое, организованное казался им абсолютно невозможным ни в настоящем, ни в прошлом. «Невозможность самозарождения в какое бы то ни было время, - говорит известный английский физик В. Томсон, - нужно считать так же прочно установленной, как закон всемирного тяготения».

Но как, же тогда произошла жизнь на Земле? Ведь было время, когда Земля, по общепринятому теперь в науке взгляду, представляла собой раскаленный добела шар. За это говорят и астрономия, и геология, и минералогия, и прочие точные науки - это, несомненно. Значит, на Земле существовали такие условия, при которых жизнь была невозможна, немыслима. Только после того, как земной шар потерял значительную часть своего тепла, рассеяв его в холодное межпланетное пространство, только после того, как охлажденные водяные пары образовали первые тепловые моря, стало возможно существование организмов, подобных тем, которые мы сейчас наблюдаем. Для разъяснения этого противоречия была создана теория, носящая довольно сложное название - теории панспермии.

Основателем этой теории является Г. Э. Рихтер. Исходя из представления, что в мировом пространстве везде носятся маленькие частицы твердого вещества (космозои), отделившиеся от небесных тел, указанный автор допускал, что одновременно с этими частицами, может быть прилепившись к ним, носятся жизнеспособные зародыши микроорганизмов. Таким образом, эти зародыши могут переноситься с одного, заселенного организмами небесного тела на другое, где жизни еще нет. Если на этом последнем уже создались благоприятные жизненные условия, в смысле подходящей температуры и влажности, то зародыши начинают прорастать, развиваться и являются впоследствии родоначальниками всего органического мира данной планеты.

Эта теория приобрела в научном мире много сторонников, между которыми были даже такие выдающиеся умы, как Гельмгольц и В.Томсон. Ее защитники стремились главным образом научно обосновать возможность такого переноса зародышей с одного небесного тела на другое, при котором сохранялась бы жизнеспособность этих зародышей. Ведь на самом деле, в конце концов главный вопрос заключается именно в том, может ли спора совершить такое длительное и полное опасностей путешествие, как перелет из одного мира в другой, не погибнув, сохранив способность прорасти и развиться в новый организм. Разберем подробно, какие опасности встречаются на пути зародыша.

Прежде всего это холод межпланетного пространства (-220°С). Отделившись от родной планеты, зародыш обречен долгие годы, столетия и даже тысячелетия носиться при такой ужасающей температуре, прежде чем счастливый случай даст ему возможность опуститься на новую землю. Невольно является сомнение, способен ли зародыш выдержать такое испытание. Для решения этого вопроса обращались к исследованию устойчивости по отношению к холоду современных нам спор. Опыты, произведенные в этом направлении, показали, что холод зародыши микроорганизмов выносят превосходно. Они сохраняют свою жизнеспособность даже после шестимесячного пребывания при 200° ниже нуля. Конечно, 6 месяцев не 1000 лет, но все же опыт дает нам право предполагать, что по крайней мере некоторые из зародышей могут перенести страшный холод межпланетного пространства.

Гораздо большую опасность для зародышей представляет их полная незащищенность от световых лучей. Их путь меж планетами пронизан лучами солнц, губительными для большинства микробов. Некоторые бактерии погибают от действия прямых солнечных лучей уже в течение нескольких часов, другие более устойчивы, но на всех без исключения микробов очень сильное освещение действует неблагоприятно. Однако это неблагоприятное действие в значительной степени ослабляется в отсутствие кислорода воздуха, а мы знаем, что в межпланетном пространстве воздуха нет, и потому можем не без основания предполагать, что зародыши жизни выдержат и это испытание.

Но вот счастливый случай дает возможность зародышу попасть в сферу притяжения какой-либо планеты с благоприятными для развития жизни условиями температуры и влажности. Скитальцу осталось, только, подчиняясь силе тяжести, упасть на его новую Землю. Но как раз тут, почти уже в мирной гавани, и ждет его грозная опасность. Ранее зародыш носился в безвоздушном пространстве, но теперь, прежде чем упасть на поверхность планеты, он должен пролететь через довольно толстый слой воздуха, окутывающий со всех сторон эту планету.

Всем, конечно, хорошо известно явление «падающих звезд» - метеоров. Современная наука объясняет это явление следующим образом. В межпланетном пространстве носятся твердые тела и частицы различных размеров, возможно, осколки планет или комет, залетевшие в нашу солнечную систему из отдаленнейших мест Вселенной. Пролетая поблизости от земного шара, они притягиваются этим последним, но, прежде чем упасть на его поверхность, они должны пролететь через воздушную атмосферу. Вследствие трения о воздух, быстро падающий метеорит нагревается до белого каления и становится видимым на темном небесном своде. Только немногие из метеоритов достигают земли, большинство сгорает от сильного жара еще далеко от ее поверхности.

Подобной же участи должны подвергнуться и зародыши. Однако различные соображения показывают, что подобного рода гибель не является обязательной. Есть основания предполагать, что по крайней мере некоторые из зародышей, попавшие в атмосферу той или иной планеты, доберутся до ее поверхности жизнеспособными.

Вместе с тем не нужно забывать о тех колоссальных астрономических промежутках времени, в течение которых Земля могла засеваться зародышами из других миров. Эти промежутки исчисляются миллионами лет! Если за это время из многих миллиардов зародышей хотя бы один добрался благополучно до поверхности Земли и нашел здесь подходящие для своего развития условия, то этого было бы уже достаточно для образования всего органического мира. Между тем эта возможность при современном состоянии науки представляется хотя и маловероятной, но допустимой; во всяком случае, у нас нет фактов, которые ей прямо противоречили бы.

Однако теория панспермии является ответом только на вопрос происхождении земной жизни, а отнюдь не на вопрос о происхождении жизни вообще.

«Если это предположение,- говорит Карус Штерне,- лишь отодвигает начало жизни к первому по времени своего появления миру небесного пространства, то с философской точки зрения оно совершенно бесполезный труд; ибо что могло случиться в первом мире, то возможно во втором и в третьем, будет ли то акт творения или самопроизвольного зарождения».

«Одно из двух,- говорит Гельмгольц - органическая жизнь или когда-либо началась (зародилась), или существует вечно». Если признать первое, то теория панспермии теряет всякий логический смысл, так как если жизнь могла зародиться где-либо во вселенной, то, исходя из однообразия мира, мы не имеем никаких оснований утверждать, что она не могла зародиться и на Земле. Поэтому сторонники разбираемой теории принимают положение о вечности жизни. Они признают, что «жизнь только меняет свою форму, но никогда не создается из мертвой материи».

Таким образом, они сразу и окончательно ставят крест над дальнейшим исследованием вопроса о происхождении жизни. Они стремятся вырыть непроходимый ров между живым и неживым и поставить предел стремлениям человеческого ума к тем безграничным обобщениям, к которым ведет его точная наука.

4.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 серосодержащие 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.