Phoenix Criminal Lawyer
ноября 17, 2009

 


 


Возникновение и развитие жизни на Земле   Веками и тысячелетиями загадка жизни была прибежищем метафизики, областью верования, а не знания. Понятие жизни связывалось с понятием души, с витализмом в его различных видах. Все эти представления, различаясь в мелочах, сводились так или иначе к утверждению, что живые существа и жизненные процессы не могут быть поняты в рамках рациональных суждений в детерминированных зависимостях. Наука вряд ли должна спорить с утверждениями такого рода. Она просто должна найти рациональное решение вопроса и если такое решение будет найдено, все другие мнения и версии просто отпадут.

Если оставить в стороне упомянутые взгляды, то, в общем, научных, или претендующих на научность, определений жизни не так уж много. По-видимому, мало кто решался на столь важные и ответственные заявления. Пожалуй, единственное определение, если и не общепризнанное, то распространенное и не опровергнутое вот уже более 100 лет, это определение Ф.Энгельса. Это определение до сих пор является основным. Хотя биологи далеко продвинулись в изучении множества разнообразных деталей существа жизни, общая ее новая трактовка, как мы увидим дальше, пока отсутствует: «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел».

Трудность решения проблемы сущности жизни связана с отсутствием точного и неоспоримого ответа на вопрос, по какому признаку можно определить, является данный объект живым или неживым?

Известно, что человеческий организм даже после смерти мозга может определенное время с помощью аппарата искусственного дыхания и искусственного питания поддерживать свои жизненные функции. Вопрос о том, является ли такой организм живым или мертвым остается важнейшим вопросом медицинской этики.

Спустимся ниже по уровню биологической организации. Возьмем клетку или группу клеток. Их можно разрушить, разделить на части, получить так называемые органоиды, например, митохондрии, рибосомы и пластиды. Если обеспечить требуемую температуру, питательную среду и другие условия, эти частицы могут длительное время выполнять те же самые функции, что и в живой клетке – синтез белков, трансформация энергии. Следует считать их живыми или нет, а если нет, то почему?

В более примитивных таксономических единицах живых организмов этот вопрос становится еще более запутанным. Всем известно, что существуют вирусы. Это биологические образования, обладающие способностью возбуждать инфекции. Проникнув в клетку, вирусная частица размножается, в результате чего в большинстве случаев наступает гибель клетки, и вышедшие из нее вирусы могут заразить новые клетки. Вне клетки вирусная частица не проявляет ни одного из тех свойств, которые мы считаем обязательными признаками живого, в ней не протекает никаких процессов обмена веществ, она не дышит, не может двигаться, не может размножаться, не реагирует ни на какие внешние воздействия. Как сказал один из видных биологов В.Стэнли: в клетке вирус ведет себя как живое существо, а вне клетки он мертв, как камень.

Итак, на всех уровнях биологической организации, начиная от вируса и кончая человеческим организмом, мы неизменно сталкиваемся с невозможностью однозначно провести границу между живым и неживым. Вместо того, чтобы пользоваться незыблемой качественной категорией, мы имеем цепь градаций, приближающуюся к некоторому пределу, подлинная граница которого не поддается фиксации. Отсюда понятно, что ускользает и возможность дать безупречный ответ на вопрос: что такое жизнь.

Известный физик-теоретик, один из авторов квантовой физики, Эрвин Шредингер написал небольшую книгу «Что такое жизнь? С точки зрения физики ». Шредингер убедительно показал, что проблема сущности жизни не выходит за пределы компетенции физики и химии. Но четко сформулированного решения проблемы он все же не дал. Ему, по-видимому, показалось достаточным высказать постулат о том, что хромосома обладает природой апериодического кристалла. С этим утверждением нельзя не согласиться, как и с признанием за хромосомой выдающейся роли в становлении жизни особи и рода. Но отсюда еще далеко до того, чтобы поставить знак равенства между организационно-структурной характеристикой материальной основы наследственного вещества и таинственной загадкой сущности жизни.

Высказывались предположения, что на современном уровне знаний, в которых преобладает биологический подход, еще не хватает определенных сведений и концепций, чтобы можно было дать ответ на эту загадку. Предполагается, что с возрастанием количества становящихся известными специфических свойств живого могут быть созданы предпосылки для того, чтобы хотя бы в принципе стало возможным подойти к качественному переходу, иначе говоря, обеспечить приближение к познанию сущности жизни.

Особенности живых организмов можно выявить на нескольких различных материальных уровнях: атомном, молекулярном, организационном , функциональном.

В настоящее время установлено, что все без исключения живые организмы имеют одинаковый элементный состав. В любом живом организме, начиная от бактерии и кончая человеком, содержится 21 элемент периодической системы Менделеева.

Наиболее распространенные во Вселенной элементы : водород. кислород, углерод и азот в организмах тоже представлены в наибольшем количестве — от 92,28 до 96,0% об общего числа элементов, составляющих их тела. Все организмы, таким образом, построены из наиболее распространенных в космосе атомов. Эти элементы входят в состав первого и второго периода периодической системы, они имеют наименьшие размеры и способны к образованию устойчивых кратных связей. Углерод, кроме того, способен образовывать длинные цепи, позволяющие формировать сложные разветвленные полимеры. Кратные двойные и тройные связи повышают реакционную способность атомов. Два других важнейших химических элемента в составе организмов – фосфор и сера, также обладают способностью к образованию кратных связей. По мнению американского биохимика Дж. Уолда, это делает их незаменимыми для накопления энергии и переноса ее строго дозированными порциями.

Помимо шести основных биогенных элементов в составе организмов находятся катионы калия, натрия, кальция, магния и отрицательный ион хлора. Кроме того, живое вещество содержит ряд микроэлементов — марганец, железо, кобальт, медь, цинк, бор, алюминий, ванадий, молибден, йод. Субстрат жизни, следовательно, построен по единому плану из наиболее распространенных и наиболее пригодных для жизни элементов.

На молекулярном уровне все живые организмы также имеют общее строение. В первую очередь, основным и универсальным компонентом всего живого являются белковые молекулы. Во всех современных организмах содержатся белки, состоящие из 20 аминокислот и двух типов пентоз. Способность белков образовывать сложные структуры позволяет им обеспечивать тонкое регулирование биохимических реакций. Они обладают колоссальным функциональным разнообразием и огромной способностью к распознаванию Известный биохимик М. Кальвин отмечает, что существующий в настоящее время набор компонентов белка был предопределен в самом начале эволюции исходным набором аминокислот.

Вторая большая группа органических молекул живого вещества – нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты являются универсальными носителями генетической информации во всех живых организмах. Они бывают двух видов – ДНК и РНК. Нуклеиновые кислоты выполняют три основные функции: самовоспроизведение, сохранение наследственной информации и передачу этой информации в процессе возникновения новых клеток ДНК и РНК ответственны за синтез белков в организме. Одно из основных положений молекулярной биологии — ДНК – РНК – белок.

Помимо этих основополагающих молекул живые организмы содержат углеводы, жиры, полисахариды и ряд других органических соединений.

Существует одно важное, но пока необъяснимое различие физических свойств живого и неживого вещества, отражающее некую особенность процесса возникновения жизни на Земле, касающееся биополимеров. По крайней мере, так считают исследователи, изучающие этот феномен. С позиций физики отличительной особенностью органических соединений, порожденных жизнью, служит их оптическая активность, выражающаяся в способности поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света в одном направлении — либо влево, либо вправо — в зависимости от конкретного типа соединений. Так, все белковые молекулы земных организмов поворачивают плоскость поляризации проходящего света влево, что указывает на их левую пространственную конфигурацию (L-конфигурация). А молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК (содержащие в своем составе сахар-рибозу) поворачивают плоскость поляризации проходящего света только вправо, т.е. обладают правой или D-конфигурацией.

Между тем в неживом веществе того же химического состава реализуется смесь с равновероятным содержанием молекул обеих возможных конфигураций, поэтому поворота плоскости поляризации проходящего через них света не происходит. Предполагается, что оптическая активность органических соединений живого происхождения имеет отношение к происхождению жизни.

Хиральность органических молекул
Рис.1 Хиральность органических молекул

Сохранение в процессах, связанных с жизнью, органических молекул только одной из двух возможных пространственных структур, называют хиральностъю, а соответствующим образом отобранные молекулы — хиральными. Хаотическая же смесь органических молекул обеих пространственных конфигураций называют рацематом, а процесс образования такой смеси — рацемизацией. Рацемат, возникающий при абиогенном синтезе органических молекул, — это пример равновесного, симметричного состояния конечного продукта синтеза.

Нет сомнений, что в преджизненный период образования на Земле органических соединений возникал только рацемат. При переходе же к жизни у соответствующих органических соединений вдруг произошла сортировка молекул и возникла хиральность. Как это произошло, почему у белков отсортировались молекулы с L-конфигурацией, а у ДНК и РНК — молекулы с D-конфигурацией? На эти вопросы пока ответа нет.

Помимо этих тонких отличий живой и неживой материи, в число признаков жизни входят: способность к самовоспроизведению, обмен веществ, рост и развитие, сохранение постоянства при относительно широко меняющихся внешних условиях и т.д.

С развитием системного подхода в биологии на организменном уровне наиболее характерной особенностью живых систем считается присущая им высокая степень внутренней упорядоченности, т.е. того, что называется биологической организацией.

Феномен организации, пронизывающий весь живой мир, складывается из двух компонентов: организации структурной и организации функциональной. Эти формы тесным образом переплетаются, они неразрывно связаны между собой, образуют трудно поддающееся расчленению единство. Поскольку специфика организации выдвинута в качестве определяющего признака живого, напрашивается следующая формулировка: проблема природы жизни – это проблема первичной организации материи в живых объектах.

Живое качественно превосходит другие формы существования материи в отношении многообразия и сложности химических компонентов и динамики протекающих превращений. Живые системы характеризуются гораздо более высоким уровнем структурной и функциональной упорядоченности в пространстве и во времени. Структурная компактность и энергетическая экономичность живого – результат высочайшей упорядоченности на молекулярном уровне. Одно из важнейших следствий этой компактности – универсальный эффект «усиления», характерный для всех живых систем. К примеру, в 5*10-15г ДНК, содержащейся в оплодотворенном яйце, заключена информация для подавляющего большинства признаков животного, которое весит 5*105г (0,5 т).

«Именно в способности живого создавать порядок из хаотического теплового движения молекул состоит наиболее глубокое, коренное отличие живого от неживого. Тенденция к упорядочению, к созданию порядка из хаоса есть не что иное, как противодействие возрастанию энтропии Вселенной » – считает наш ведущий биохимик В. А. Энгельгардт.

Но считать, что лишь структурная организация полностью исчерпывает специфику живого, было бы столь же неправильным, как допустить, что наследственность в целом есть следствие одной лишь специфической, чисто структурной организации двуспиральной молекулы ДНК. Ведь структура ДНК является действующим началом только механизма хранения и передачи наследственных свойств, но не определяет их содержания, т.е. качественной совокупности. Содержание наследственной информации, хранящейся в молекуле ДНК, предопределено протекавшим во времени накоплением множества ее единиц, полученных в ходе эволюционного процесса. Наука не располагает непреложными доказательствами того, что «специфика организации» сама по себе является достаточной для познания природы жизни. Но можно совершенно однозначно утверждать, что эта специфика организации – абсолютно необходимое свойство живой материи.

Явление жизни – это, прежде всего, результат действия множества дискретных систем, образующих последовательность различных уровней усложненности и взаимоподчиненности. С точки зрения системного подхода, жизнь – это сложная система, в которой отчетливо выражено не параллельное, а последовательное сочетание элементов. Этим создается предпосылка для организации этой системы по принципу иерархической подчиненности.

Представление о многоступенчатой биологической организации и о соподчиненности последовательных уровней подводит нас к принципу иерархической структуры как к одному из характерных атрибутов живых систем.

Иерархическая структура живых систем предполагает наличие постоянно усложняющих свой уровень подсистем в составе системы организма в целом. При этом более высокий иерархический уровень оказывает направляющее воздействие на подчиненный уровень. Это воздействие проявляется в том, что подчиненный член иерархии приобретает новые свойства, отсутствовавшие у него в изолированном состоянии.

Возникновение иерархии является по мнению многих специалистов принципом первостепенной важности в теории общей биологии. При этом отношения контролирующего характера играют очень важную роль в иерархических системах живой природы. Именно двусторонность взаимодействия между высшими и низшими звеньями иерархии, находящая свое выражение в существовании и функциях обратных связей, является типичной отличительной чертой внутренней иерархии биологических объектов. В иерархических системах неживого мира эта черта несравненно менее выражена, поэтому в ней можно видеть одну из характерных особенностей живого мира.

Естественно возникает вопрос о том, каким путем осуществляется становление биологических иерархий. Ответ на этот вопрос совершенно определенный: это происходит путем последовательно совершающихся процессов интеграции.

Для явлений интеграции естественным и совершенно необходимым условием является их строгая избирательность, детерминированность. Если бы этого не было, то вместо возрастания упорядоченности интеграция свелась бы к простой случайности, характерной для неживой природы. Очевидно, что для обеспечения избирательности необходимо, чтобы силы, ведущие к интеграции, обладали достаточной степенью специфичности, как по характеру, так и по пространственной локализации. Это должно обеспечивать возможность определенным образом организованного взаимодействия элементов живой системы, между которыми протекает процесс интеграции. В.А.Энгельгардт назвал эти взаимоотношения «узнаванием».

Значение явлений узнавания так велико и настолько ясно выражено в процессах живого мира, что есть основания видеть в них типичный атрибут жизни такого же порядка, как и организация. Это тем более обоснованно, что именно для возникновения самой организации живого объекта явления узнавания играют роль ключевого фактора. Явление узнавания можно проиллюстрировать, например, фактом иммунитета. Клетки одного организма каким-то образом узнают, определяют, подходит ли для них, скажем, пересаженный от другого организма орган и «принимают» или отторгают его. Это очень важное свойство живого, его защитная реакция и самосохранение.

Но, с точки зрения природы жизни необходимо рассмотреть основанные на узнавании взаимодействия двух важнейших классов веществ, составляющих материальную основу живой клетки – белков и нуклеиновых кислот.

Под узнаванием, о котором идет речь, понимается специфически направленное и пространственно охарактеризованное установление контактов молекул биополимеров (белок и нуклеиновые кислоты) между собой.

Можно выделить три категории взаимосвязей: между молекулами одной группы, т.е. либо между белками, либо нуклеиновыми кислотами, и между членами разных групп – белково-нуклеиновые узнавания. Лучше всего изучены узнавания в группе нуклеиновых кислот. Это узнавание лежит в основе важнейшего для жизни процесса передачи наследственной информации как между сменяющими друг друга поколениями, так и в пределах существования отдельного организма. Поток генетической информации складывается из многочисленных последовательных звеньев. На всех его этапах узнавание должно происходить с максимальной точностью, язык узнавания должен работать безупречно. И мы знаем, что природа этого достигла. Ошибки, представляющиеся в виде мутаций в естественных условиях, очень редки, порядка одной на миллион, в пересчете на количество особей живых существ одного поколения. Эволюция тщательно отбирает и отбрасывает мутационные ошибки, угрожающие судьбе рода, и сохраняет те мутации, в которых есть что-то.

Явления узнавания свойственны всей живой природе и относятся к одному из основных признаков живого. Эти явления и следующая за ними интеграция особенно отчетливо выражаются в процессах так называемой «сборки» таких структур как вирусы, фаги, рибосомы или обладающие сложным строением ферментные частицы. Этот процесс можно даже впрямую наблюдать, если воспользоваться электронным микроскопом.

Уже детально изучено большое число процессов такого рода. Они по существу сводятся к тому, что если сложный, многокомпонентный объект теми или иными щадящими приемами искусственно разложить на составные части, изолировать их друг от друга, а затем смешать в нужных соотношениях и создать подходящие условия, то они самопроизвольно соберутся в исходную целостность. Ее полноценность легко и убедительно доказывается тем, что восстанавливается не только исходная структура, но и ее специфические биологические свойства, например, каталитическая активность ферментов или инфекционные свойства вирусов.

Однако необходимо подчеркнуть, что в вопросах различия живого и неживого, так же как и в определении сущности жизни мы не пришли к конкретным решениям типа законов физики с их аксиоматикой и константами. Вполне вероятно, что формулировать упомянутые категории в строгих терминах точных наук вообще не удастся.

Современная биология идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. Во-первых, это внутренние атрибутивные свойства живой материи:

высокая степень внутренней упорядоченности, организованности. Обязательность строгого порядка в живой системе противодействует возрастанию энтропии;
живым системам свойственна иерархичность, многоступенчатость структуры, которая реализуется путем последовательного совершения процессов интеграции;
структуры живых систем обладают способностью «узнавания». Белки и нуклиды взаимодействуют друг с другом, с исключительной точностью «выбирая» партнеров для реакций и соединений.
Другие важные свойства живых систем условно назовем внешними, относящимися к организмам в целом и даже сообществам организмов:

Способность к самовоспроизведению, сохранению рода. Живые организмы передают потомкам заложенную в них информацию, необходимую для развития и существования. Сохранение рода требует избыточного самовоспроизводства;
Способность к обмену веществ, как с окружающей средой, так и внутри организма. Живому свойственно, ассимилируя новое вещество и энергию, производить их трансформацию в собственные материальные структуры;
Живые системы сохраняют постоянство при меняющихся внешних условиях и всегда адекватно реагируют на изменение условий. Сообщества организмов в естественных условиях формируются таким образом, чтобы наиболее полно использовать возможности каждой данной среды обитания.
Одним из наиболее трудных и, в то же время, интересных вопросов в современном естествознании является вопрос о происхождении жизни. Труден этот вопрос, во-первых, потому, что, несмотря на все усилия и многочисленные предложения, мы пока не знаем точно, как отличить живое от неживого, где лежит эта граница, да и есть ли она вообще. Во-вторых, трудность заключается и в том, что в данном случае невозможно применить обычную в науке схему: гипотеза – эксперимент – теория. Дело останавливается на гипотезе. Эксперимент здесь невозможен.

Тот факт, что в лабораториях получают из неорганических материалов некие органические субстанции, указывает лишь на то, то происхождение жизни возможно. Но остается без ответа вопрос, – так ли происходило на самом деле. К настоящему времени, проблема происхождения жизни может быть решена на уровне вероятности .

Именно в силу сложности вопроса на протяжении всей истории нашей цивилизации на него давалось множество самых разнообразных ответов. Но их можно сблокировать в пять групп, различающихся концептуально:

1. Креационизм – божественное происхождение живого.
2. Концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества.
3. Концепция стационарного состояния, в соответствии с которым жизнь существовала всегда и возникла вместе с возникновением Вселенной.
4. Концепция панспермии – внеземного происхождения жизни.
5. Концепция биохимической эволюции живого на первичной земле.
Первая из перечисленных концепция – религиозная, и к науке прямого отношения не имеет. Эта концепция хороша тем, что не требует доказательств. В нее можно либо верить, либо нет.

Происхождение второй концепции о многократном самозарождении жизни восходит к Аристотелю, который считал, что живое возникает в результате разложения почвы (земли). Эта концепция получила развитие в XIX веке в рамках двух конкурирующих учений – механистического материализма и витализма.

Механистический материализм не признавал качественной специфики живых организмов и отождествлял жизненные процессы с механическими. Живой организм считался просто сложной машиной. Но аналогия между живым существом и машиной не объясняет причину целесообразной организации организмов. Такой подход неверен в самой своей основе. Ведь машины не возникают сами собой в природных условиях. Они являются продуктом созидательной деятельности человека, его целенаправленных творческих усилий. В силу этого механицизм и его более поздняя разновидность – редукционизм (пытавшийся свести явления жизни к химическим и физическим процессам как элементарным составляющим) не мог решить даже в принципе проблему зарождения жизни.

Противоположной точкой зрения стал витализм, который признавал качественное отличие живого от неживого. Оно связывалось с наличием в живых организмах особой «жизненной силы», отсутствующей в неживых предметах и не подчиняющейся физическим законам. Такое решение проблемы сущности жизни тесно связано с признанием факта ее творения Богом, разумным началом и т.п. Понятно, что к обоим этим течениям можно относиться лишь как к фактам истории науки, но не к ее достижениям.

На фоне острых дискуссий между механицистами и виталистами, ученые-экспериментаторы пытались точно установить, от каких именно структур зависят специфические свойства живых организмов и поэтому исследовали живые клетки и клеточные структуры. Отвергая идею сотворения жизни, эти ученые вплоть до середины XIX века придерживались мысли о самопроизвольном зарождении жизни из различных материальных образований, чаще всего снова возвращались к земле, вслед за Аристотелем. Этой точки зрения придерживались такие крупные ученые и выдающиеся мыслители как Парацельс, Гарвей, Коперник, Галилей, Декарт, Гете, Шеллинг и др. Их авторитет во многом определил длительный срок существования идеи самозарождения, и ее широкое распространение.

Достаточно сказать, что ни опыты Ф.Реди, который доказал невозможность самозарождения червей из гниющего мяса при отсутствии мух, ни даже опыты с микроорганизмами Спалланцани, показавшие, что в прокипяченных органических настоях микроорганизмы не зарождаются, не оказали никакого влияния на господствующую в науке идею спонтанного самозарождения.

Лишь гений и упорство Л.Пастера уже в XIX веке, после длительной борьбы, позволили убедить всех, что самозарождения нет, что живое происходит только от живого. Но это, конечно, не давало ответа на вопрос, откуда же взялась жизнь.

К древнегреческой натурфилософии относится и появление на свет концепции внеземного посева жизни — панспермии. Древнегреческий философ Анаксагор считал, что жизнь на Земле зародилась из вечно странствующих в просторах космоса семян. Эту идею возродил к жизни в шестидесятые годы ХIX века немецкий ученый Г.Рихтер. Согласно этой идее, зародыши простых организмов могли попасть в земные условия в метеоритах, с космической пылью и положить начало эволюции жизни, которая, в свою очередь, породила многообразие жизненных форм. Эту концепцию разделяли такие крупные ученые как С.Аррениус, Г.Гельмгольц, что придавало ей особый вес среди ученых. Против этой гипотезы были выдвинуты вполне резонные возражения, прежде всего в аспекте «непробиваемости» космоса для живых организмов. Живое, как полагали критики панспермизма, должно неминуемо погибнуть во время блуждания по космосу, где температура близка к абсолютному нулю, нет давления; космос пронизан губительными для живого ультрафиолетовыми и космическими лучами.

В середине нашего века идея панспермизма получила новый импульс – в связи с эпопеей НЛО. По мнению наиболее ортодоксальных уфологов, вопроса о происхождении жизни просто нет – ее нам завезли

Но в этом есть главная загвоздка, – гипотеза завоза жизни на Землю не решает проблемы происхождения жизни, а лишь выносит ее за пределы Земли. Если жизнь к нам занесена, то где и как она возникла?

Таким образом, нельзя, по-видимому, всецело отрицать возможность попадания неких органических веществ из космоса на землю, – такие вещества обнаружены в метеоритах и космической пыли. Но эта версия, как уже сказано, не снимает главной проблемы, – как зародилась жизнь, даже если это произошло не на Земле?

Под третьим номеров в перечне концепций зарождения жизни, упомянутом в начале лекции, обозначена весьма экзотическая идея вечного существования жизни. Попросту говоря, после Большого взрыва (о котором мы уже говорили) в процессе дифференциации праматерии на элементы и образования их соединений сразу же произошло разделение вновь образовывающихся веществ на живое и неживое, и жизнь во Вселенной существует столько же времени, сколько и сама Вселенная или почти столько же.

Эта красивая гипотеза подводит начальную базу под концепцию панспермии – заноса жизни на Землю. Но все же она крайне сомнительна, если вспомнить параметры первых переходных состояний горячей Вселенной – многие триллионы и миллиарды градусов, невообразимые давления, жесткие излучения и т.п. В этих условиях, сугубо абиотических, вряд ли могло возникнуть, а тем более сохраниться и развиваться нечто живое.

Особняком стоят воззрения на эту проблему гениального российского ученого В.И.Вернадского. Он считал, что процесс возникновения живого вещества из неживой косной материи происходил на первичной земле в общепланетном масштабе под влиянием некоего поля жизни. По мнению ученого, помимо электромагнитного и гравитационного поля во Вселенной существует поле жизни, носителем которого является неизвестная науке частица жизни. Именно это поле вдыхает жизнь в косную материю и вызывает ее дальнейшее развитие и совершенствование. Вернадский считал, что родоначальником всего живого был не первый организм, а первая биосфера. «Жизнь не есть внешне случайное явление на земной поверхности. Она теснейшим образом связана со строением земной коры, вмешивается в ее механизм и выполняет в нем функции величайшего значения» — писал В.И.Вернадский. В своей многолетней истории организмы связаны цепью взаимодействий между собой и в то же время как целое и как отдельные единицы находятся в теснейшем взаимодействии с Землей. С момента своего возникновения они начинают играть важную и разнообразную геологическую роль как регуляторы ряда сложных геологических и геохимических процессов.

В научных кругах в настоящее время наиболее признана гипотеза возникновения жизни на Земле в результате биохимической эволюции. У этой концепции два варианта. Согласно одному из них, происхождение жизни – результат случайного образования единичной «живой молекулы», в строении которой был заложен весь план дальнейшего развития живого. Эта гипотеза появилась в связи с открытием хромосомной теории наследственности Томасом Морганом. Непосредственным автором гипотезы был известный американский генетик Герман Мёллер, доказавший возможность искусственных мутаций под воздействием рентгеновский лучей. Г.Мёллер высказал идею о возможности случайного возникновения при стечении каких-то очень благоприятных обстоятельств единичной живой генной молекулы, обладавшей внутримолекулярным жизнеопределяющим строением. Как раз от нее и пошла жизнь. Эта идея нашла широкую поддержку в среде генетиков. Ее поддержал, в частности, Жак Моно, известный французский генетик, лауреат Нобелевской премии. Эти ученые настолько уверовали в решающую роль хромосом, что сочли не только естественным, но и необходимым, чтобы жизнь началась именно с них.

Представляется крайне маловероятной сама возможность спонтанного формирования сложнейшей органической молекулы, имеющей очень жестко детерминированную структуру. Однако, одинокая жизненная молекула не берегу океана выглядит столь же маловероятно, как Адам и Ева в райских кущах. Даже ДНК генома простейших прокариотов (безъядерных организмов – бактерии, микоплазмы, риккетсии) содержат до миллиона нуклеотидов, являющихся, в свою очередь, тоже сложными многоатомными молекулами. Предположить, что конструкция из десятка миллионов атомов, расположенных в определенном порядке, возникла спонтанно, значит рассчитывать на чудо.

По-видимому, наиболее перспективным направлением для естествознания является исследование возникновения жизни на нашей планете из неживой материи в ходе процессов самоорганизации.

Невозможность самозарождения живых организмов из неживого не противоречит гипотезам биохимической эволюции живого вещества.

Впервые гипотезу о биохимической эволюции живого вещества из неживой материи выдвинул наш соотечественник Александр Иванович Опарин, опубликовав в 1924 г. книгу «Происхождение жизни». Появление жизни он рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень – биохимическую эволюцию.

Сложную химическую эволюцию принято выражать следующей обобщенной схемой: атомы _ простые соединения _ простые биоорганические соединения _ макромолекулы _ организованные системы.

Начало этой эволюции положено нуклеосинтезом во Вселенной, когда образовались основные, в том числе и биогенные элементы.. Начальное состояние — нуклеосинтез- быстро переходит в процесс образования различных по сложности химических соединений. Этот процесс протекает и в условиях первичной Земли со все нарастающей сложностью, обусловленной общекосмическими и планетарными предпосылками.

Синтез биоорганических соединений из неорганических молекул шел в условиях формирующейся Земли. Атмосфера первичной Земли представляла собой смесь газов: метана, закиси углерода, азота, аммиака, водорода и водяных паров. Анализ геологических отложений первичного периода развития Земли показал, что ее атмосфера имела восстановительный состав, то есть не содержала свободного кислорода.

Важную роль для органического синтеза имели источники энергии на Земле. В первую очередь — это жесткое коротковолновое излучение Солнца, солнечный ветер, радиоактивное излучение из недр планеты, искровые разряды в атмосфере, высокая температура вулканических извержений.

Опарин предположил, а затем и экспериментально доказал, что под действием электрических разрядов, тепла, ультрафиолетового облучения на газовые смеси, содержащие пары воды, аммиак, цианиды, метан и т.п., появились аминокислоты, нуклеотиды и их полимеры. По мере увеличения концентрации органических веществ в гидросфере Земли эти вещества образовали «первичный бульон», – коллоидную систему, а затем и первичные коллоидные агрегаты – коацерватные капли.

Весь дальнейший процесс — синтез макромолекул- представлялся, по гипотезе А.И.Опарина, следующим образом. Органические вещества скапливались в неглубоких местах водоемов, прогреваемых Солнцем. Солнечное излучение доносило в те времена до поверхности Земли ультрафиолетовые лучи, в наше время сдерживаемые озоном атмосферы. Ультрафиолет обеспечивал энергией протекание химических реакций между органическими соединениями. Таким образом, в некоторых зонах водоемов в числе разнообразных реакций возникали и закреплялись реакции циклического типа, обладавшие способностью к самозарождению. Результатом этих реакций стали коацерваты – пространственно обособленные целостные системы. Существенной их особенностью была способность поглощать из внешней среды различные органические и неорганические вещества. Возник первичный обмен, а с ним и проблема дефицита обменных субстанций. В этих условиях начал функционировать «естественный отбор», способствовавший выживанию или, может быть, точнее, сохранению более устойчивых или более удачно расположенных коацерватных систем. Этим этапом заканчивается первый, абиотический этап процесса эволюции живых систем.

В ходе развивавшегося естественного отбора возникли важнейшие свойства жизни, не существовавшие в ходе предыдущего абиотического этапа развития. Возникшие целостные многомолекулярные системы, фазовообособленные от окружающей среды, сохраняли взаимодействие с ней по типу открытых систем.

Естественный отбор сохранил те целостные системы, в которых функция обмена веществ была более совершенной, способствовавшей росту конкурентной способности, динамической устойчивости. Эти качества отождествлялись в целесообразности строения живых существ, т.е. приспособленности внутримолекулярного и надмолекулярного строения частей систем к выполняемым ими функциям и, в конечном счете, в приспособленности целого организма к существованию в данных условиях внешней среды.

Выживающие в ходе естественного отбора системы имели специфическое строение белковых и нуклеотидных полимеров, которые и обусловили появление важнейшего качества живого – наследственности, специфической для живого формы передачи информации.

Популярность концепции А.И.Опарина в научном мире очень велика. Его теорию поддерживали и развивали С.Фокс и К.Дозе, С. Миллер, М.М.Камшилов и многие другие исследователи. Ученые — биологи, занимающиеся сегодня решением вопроса о происхождении жизни, самым сложным считают характеристику структурных и функциональных особенностей протобиологической системы, т.е. доклеточного предка. Трудность решения этого вопроса объясняется хорошо известным фактом: для саморепродукции нуклеиновых кислот – основы генетического кода – необходимы ферментные белки, а для синтеза белков – нуклеиновые кислоты. Поэтому предметом дискуссии издавна служили два вопроса:

1) Что было первым – белки или нуклеиновые кислоты
2) Если признать, что эти два класса биополимеров возникли неодновременно, а последовательно, то на каком этапе и как произошло их объединение в единую систему, способную к функциям передачи генетической информации и регуляции синтеза белков. В свете этих вопросов все существующие сейчас гипотезы и концепции можно разделить на две группы – голобиоза и генобиоза.
В свете этих вопросов все существующие сейчас гипотезы и концепции можно разделить на две группы – голобиоза и генобиоза.

Голобиоз – это методологический подход, основанный на идее первичности структур, наделенных способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма. Появление нуклеиновых кислот в них считается завершающим актом первого этапа эволюции, итогом конкуренции протобионтов.

Сторонники генобиоза исходят из убеждения в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода и последующего формирования белковых структур и обмена.

В 80-е годы, т.е. совсем недавно, дискуссия оформилась в противостояние двух концепций – информационный (или генетический) и субстратной (обменно-метаболической).

Сторонники обеих концепций, не отступая от своих позиций ни на шаг, соглашались в одном: белковые и нуклеиновые макромолекулы структурно и функционально глубоко различны, они не могли появиться одновременно в ходе химической эволюции, в связи в чем нереально их существование в протобиологической системе. Но это согласие знаменовало собой полное расхождение по существу вопроса.

В стане сторонников информационной (генетической) концепции возникла, в свою очередь, внутренняя дискуссия: что было первым – ДНК или РНК? Нормально генетическая информация идет в направлении от ДНК к РНК и белку, поэтому спор как будто бы не имеет оснований. Тем не менее, спор продолжался и разгорался, и в самое последнее время как будто бы возобладал приоритет РНК. Оказалось, что РНК наделена той же генетической памятью, что и ДНК. Даже была установлена уникальная вездесущность РНК: нет организмов, в которых она отсутствовала бы, но есть организмы, в частности, вирусы, геном которых составляет именно РНК, а не ДНК. В начале 80-х годов была установлена способность РНК к саморепродукции в отсутствие белковых ферментов, т.е. открыта ее автокаталитическая функция. Это решало ранее, казалось, неразрешимую проблему объединения двух функций – каталитической (ранее считавшейся прерогативой белков) и информационно-генетической, необходимых для саморепродукции живой системы.

В результате сформировалось четкое представление, что древняя РНК совмещала в себе черты фенотипа и генотипа (индивидуального организма и вида), а процесс эволюции шел от РНК к белку, а затем к образованию молекул ДНК.

Реальный прорыв в этой области обозначился лишь в последние 20-25 лет, и связан он был с приложением к проблеме возникновения жизни теории самоорганизующихся систем. Самоорганизующейся называют такую систему, которая обладает способностью корректировать свое поведение на основе предшествующего опыта (сам термин был введен в 1947 г. одним из создателей кибернетики физиологом У. Эшби).

Ясно, что создание современной теории происхождения жизни невозможно в рамках классической термодинамики. За основу берется неравновесная термодинамика И. Пригожина.

М.Эйген выдвинул концепцию образования упорядоченных макромолекул из неупорядоченного вещества на основе матричной репродукции естественного отбора. Он начинает с того, что дарвиновский принцип естественного отбора (ЕО) — единственный понятный нам способ создания новой информации (это физическая величина, отражающая меру упорядоченности системы). Если имеется система самовоспроизводящихся единиц, которые строятся из материала, поступающего в ограниченном количестве из единого источника, то в ней с неизбежностью возникает конкуренция и, как ее следствие, ЕО. Эволюционное поведение, управляемое ЕО, основано на самовоспроизведении с «информационным шумом» (в случае эволюции биологических видов роль «шума» выполняют мутации). Наличия этих двух физических свойств достаточно, чтобы стало принципиально возможным возникновение системы с прогрессирующей степенью сложности.

Оказалось, способность к самовоспроизведению принципиально зависит от сложности организации. На низшем уровне сложность является вырождающейся, т.е. каждая сложная структура способна воспроизводит лишь менее сложные структуры. Существует, однако, вполне определенный критический уровень сложности, начиная с которого эта склонность к вырождению перестает быть всеобщей: «Сложность, точно так же, как и структура организмов, ниже некого минимального уровня является вырождающейся, а выше этого уровня становится самоподдерживающейся или даже может расти».

Итак, Эйгену «всего-навсего» осталось найти реальный класс химических реакций, компоненты которых вели бы себя подобно дарвиновским видам, т.е. обладали бы способностью «отбираться» и, соответственно, эволюционировать в сторону увеличения сложности организации. Именно такими свойствами, как выяснилось, и обладают нелинейные автокаталитические цепи, названные им гиперциклами. Здесь необходимо дать некоторые пояснения.

Автокаталитическим называется процесс в котором, промежуточные продукты в цепи реакций являются катализаторами основной реакции. Это — линейный автокатализ. Если же такие автокаталитические (т.е. самовоспроизводящиеся) единицы оказываются, в свою очередь, сочленены между собой посредством циклической связи, то возникает каталитический гиперцикл. Гиперцикл, таким образом, основан на нелинейном автокатализе — автокатализе как минимум второго порядка, и представляет собой следующий, более высокий уровень в иерархии автокаталитических систем. В этом случае автокатализатор способен катализовать свое собственное воспроизведение, и при этом катализирует воспроизведение из высокоэнергетического субстрата следующего в цепи агента циклической реакции.

Гиперцикл
Рис 2. Гиперцикл

Гиперциклы (одним из простейших примеров которых является размножение РНК-содержащего вируса в бактериальной клетке) обладают рядом уникальных свойств, порождающих дарвиновское поведение системы. Гиперцикл конкурирует (и даже более ожесточенно, чем дарвиновские виды) с любой самовоспроизводящейся единицей, не являющейся его членом; он не может стабильно сосуществовать и с другими гиперциклами — если только не объединен с ними в автокаталитический цикл следующего, более высокого, порядка. Состоя из самостоятельных самовоспроизводящихся единиц (что гарантирует сохранение фиксированного количества информации, передающейся от «предков» к «потомкам»), он обладает и интегрирующими свойствами. Таким образом, гиперцикл объединяет эти единицы в систему, способную к согласованной эволюции, где преимущества одного индивида могут использоваться всеми ее членами, причем система как целое продолжает интенсивно конкурировать с любой единицей иного состава.

Итак, именно гиперцикл (который сам по себе — еще чистая химия) является тем самым критическим уровнем, начиная с которого сложность «самовоспроизводящейся системы» перестает быть вырождающейся. Эта концепция, в частности, вполне удовлетворительно описывает возникновение на основе взаимного катализа системы «нуклеиновая кислота-белок» — решающее событие в процессе возникновения жизни на Земле. Вместе с тем, сам Эйген подчеркивает, что в ходе реальной эволюции гиперцикл вполне мог «вымереть» — после того, как ферментные системы следующего поколения (с более высокой точностью репродукции) сумели индивидуализировать интегральную систему в форме клетки.

Объяснение причин процесса самоорганизации неравновесных систем следует искать на основе принципов второго начала термодинамики. Было установлено, что в тех открытых системах, что находятся в сильно неравновесных условиях, могут спонтанно возникать такие типы структур, которые способны к самоорганизации, т.е. к переходу от беспорядка, «теплового хаоса», к упорядоченным состояниям. Создатель новой, неравновесной термодинамики Пригожин назвал эти структуры диссипативными — стремясь подчеркнуть парадокс: процесс диссипации (т.е. безвозвратных потерь энергии) играет в их возникновении конструктивную роль. Особое значение в этих процессах имеют флуктуации — случайные отклонения некой величины, характеризующей систему из большого числа единиц, от ее среднего значения .

Однако для того, чтобы в некой системе начались процессы самоорганизации, она должна быть как минимум выведена из стабильного, равновесного состояния. Для того, чтобы устойчивость стационарного состояния оказалась нарушенной, есть одно необходимое (но не достаточное) условие: в цепи химических реакций, происходящих в системе, должны присутствовать автокаталитические циклы, т.е. такие стадии, в которых продукт реакции катализирует синтез самого себя. А ведь именно автокаталитические процессы составляют основу такого явления, как жизнь.

Итак, жизнь можно рассматривать как частный случай в ряду процессов химической самоорганизации в неравновесных условиях, происходящих на основе автокатализа.

Для объяснения феномена самоорганизации в живых системах разработана весьма необычная с общепринятой точки зрения теория АВТОПОЭЗА. Автопоэз – авто — само-, поэз –созидание. То есть, самосозидание. Самоорганизующиеся неживые системы образуются в результате флуктуаций в точках бифуркации, а затем стремятся к равновесному состоянию (то есть их структура разрушается) Живые системы постоянно поддерживают свою организационную структуру. Авторы идеи — чилийские биохимики Умберто Матурана и Франциско Варела. При изучении процессов , происходящих в нейронных сетях ,они выяснили, что циклическая организация нервной системы является базовой для всех живых существ. Живые системы организованы в замкнутый причинный круговой процесс, что способствует возможности эволюционных изменений способа поддержания цикличности без ее потери. Сетевой паттерн, в котором функция каждого компонента состоит в воспроизводстве и трансформации другого компонента и есть основа организации живого. То есть , циклические цепи в организме не только сами себя организуют , но и сами себя создают. В живом организме постоянно идут процессы самосозидания.

Живая система складывается из трех взаимодополняющих факторов – паттерн – структура – процесс.

Паттерн организации в живой системе – это форма организации живой системы, то есть качественные свойства – наличие и характер связей между отдельными элементами системы. Первичным паттерном жизни является клетка (не клетка как объект, состоящий из 1 ядра, 10 митохондрий, 3-х рибосом и т.д., а как система связей между этими материальными объектами, придающая им форму клетки). Пример — велосипеды. Они имеют компоненты, т.е. раму, руль и т.д., которые могут быть различной формы и план, объединяясь согласно которому они превращаются в велосипед. Мертвая клетка имеет все компоненты, имеющиеся и в живой, однако теряет самое главное – взаимосвязи между ними. Утеря связей при сохранении количественного соотношения компонентов и приводит к потере жизни.

Структура – объединение паттернов в единую систему посредством цепей обратной связи. Разница между организацией и структурой заключается в том, что организация – набор связей между компонентами, определяющий принадлежность системы к тому или иному классу ( растения., животные, бактерии –имеют различные наборы связей). Структура системы – физическое воплощение ее организации. То есть, реальные отношения между ее компонентами. Данная организация может быть воплощена множеством разных способов на основе множества разных типов компонентов ( Животные –кошки, собаки, человек и т.д.)

Чаще всего цепи внутри структуры носят циклический характер. Например, нейронные сети представляют собой паутину из цепочек аксонов, узлами которой являются дендриты. Вся сеть разделяется на отдельные локальные циклы, отвечающие за тот или иной процесс обучения. Такие цепи обратной связи характерны и для неживой природы, однако там они объединяют события ( отдельные статичные компоненты, как например молекулы воды в кристаллах льда). Однако они не локализованы в рамках какой- либо ограниченной структуры, а легко могут выходить за ее рамки..

Особенностью живых систем является их способность создавать границы, которые обозначают сферу операций сети и выделяют систему в единое целое, отличное от других систем. То есть, они функционируют в пределах ограниченной структуры – организма.

Неживые системы — системы с фиксированными компонентами. В живых организмах компоненты непрерывно меняются. Через живой организм идет непрерывный поток материи. То есть, в живых организмах в циклические цепи объединены процессы. Жизнь — постоянный процесс самообновления всех компонентов живой системы. Клетки постоянно участвуют в процессах метаболизма. Они размножаются, умирают, лизируются, а продукты распада выводятся из организма. Клетки тканей и органов заменяются в процессе непрерывных циклов, идет рост, развитие и эволюция (на месте одной клетки через определенный промежуток времени будет находиться другая, дочерняя клетка). То есть в узлах сети находятся не объекты, а процессы. Как только процессы перестают идти, организм умирает. То есть, наряду с паттерном и структурой процесс является третьим важнейшим критерием полного описания природы жизни.

В статье Новый вариант большого взрыва и новый 1000 вопрос рассматривается очень красивая и интересное, но по своей сущности весьма фантастическая идея.

 

Комментировать