Термины и понятия: самозарождение; химическая или предбиологическая эволюция; абиогенез; биогенез; коацерваты; протобионты; протоклетки; архебионты; гипотеза панспермии.
Чем абиогенез отличается от самозарождения. Первые мысли о том, как на Земле появилась жизнь, высказавали ещё древние мудрецы. Уже тогда предполагалось, что живые организмы возникли из неорганического вещества. В Античные времена идею спонтанного зарождения живых существ из неживых материалов воспринимали как нечто само собой разумеющееся. В Средневековье представления о происхождении жизни приобрели форму религиозной догмы, один из постулатов которой провозглашал, что живые существа могут возникать из земли в процессе гниения под воздействием животворящего духа.
Средневековый натуралист Ян Батиста ван Гельмонт (1579-1644), например, предлагал такой способ получения мышей. Открытый кувшин следует набить грязным бельём, добавить туда пшеницы и приблизительно через три недели ожидать зарождения мышей, «поскольку закваска, находившаяся в белье, проникает через пшеничную шелуху и превращает пшеницу в мышь». А средневековый философ и богослов Фома Аквинский (1225-1274) считал, что паразиты и другие животные-вредители зарождаются по воле дьявола, который стремится таким изощрённым образом нанести вред человеку.
В эпоху Возрождения активно распространилась легенда о гомункулюсе - крохотном человечке, которого можно создать из глины, земли или другой неживой материи при помощи магических заклинаний и обрядов.
Ошибочность самозарождения- крупных организмов в современных условиях документально доказал уже в XVII в. итальянский врач Франческо Реди (1626—1698). Он провёл ряд опытов, доказывавших, что мясные мухи, вопреки бытовавшему в ту пору мнению, не могут зарождаться сами по себе в гниющем мясе. Так, Реди брал два куска мяса, раскладывал их в два глиняных горшочка, один из них накрывал кисеёй. Через какое-то время в открытом горшочке развивались личинки, а в закрытом не было ни признаков личинок, ни признаков мух. Из этого учёный сделал вывод: мухи садятся на гниющее мясо и откладывают в него личинки, в результате чего рождаются новые мухи.
Тем не менее, большинство биологов вплоть до XIX в. не сомневались, что свойством самозарождения владеют все одноклеточные организмы. Эту идею развенчал в 1865 г. великий микробиолог Луи Пастер (1822—1895). На то время уже было известно, что если в закрытой пробкой колбе продолжительное время подвергать кипячению какие-либо среды, то они остаются стерильными до тех пор, пока колба закрыта. Однако сторонники самозарождения не воспринимали это доказательство убедительным. Они считали, что для самозарождения необходим чистый, а не прогретый воздух. Поэтому по заказу Пастера была специально изготовлена специальная колба с изогнутым в виде лебединой шеи горлышком (рис. 197). Прокипячённый в такой колбе питательный бульон точно также не прорастал бактериями, как и в колбе, закрытой пробкой. Пастер объяснял это тем, что споры и микроорганизмы, проникающие в такую колбу вместе с воздухом, оседали на изгибах горлышка. Свои слова он подтвердил, хорошенько встряхнув колбу так, чтобы бульон ополоснул стенки изогнутого горлышка, после чего обнаружил в капле отвара бактерии. Таким образом Пастер доказал, что в среде, лишённой микроорганизмов, даже при идеальных условиях невозможно их зарождение.
Рис. 195. Ф. Реди.
Рис. 196. Луи Пастер в своей лаборатории.
Сейчас идеи самозарождения организма полностью изгнаны из биологии. Их прибежищем остаётся креационизм — религиозно-философская концепция, которая рассматривает разнообразие живой природы, человечество, Землю и мир в целом как акт намеренного сотворения верховным существом.
Отрицание идеи возможности спонтанного зарождения организмов в современных условиях вовсе не противоречит научным представлениям о том, что жизнь на Земле возникла в результате химической, или, как её ещё называют, предбиологической, эволюции из неорганической материи миллиарды лет назад в совершенно особых условиях. Идея предбиологического развития природы, приведшая к образованию жизни, получила название абиогенеза (от греч. а — не, биос и генезис). Многие учёные эволюцию жизни на Земле представляют состоящей из двух этапов: абиогенеза и биогенеза — собственно биологической эволюции, когда живые организмы происходят только от живых организмов.
Рис. 197. Колба, которую использовал Луи Пастер в своём опыте.
Химическая эволюция. Материальная сущность живых тел достаточно проста: они построены из полимерных органических соединений, основу которых составляют соединения атомов углерода, а процесс жизнедеятельности — это ни что иное, как совокупность упорядоченных, следующих одна за одной химических реакций. Поэтому мысленно разложив метаболизм организма сначала на биохимические циклы, а затем на отдельные реакции, а клетку соответственно на отдельные структуры и макромолекулы, из которых она построена, можно представить себе логику постепенного усложнения строения химических соединений и реакций, которые могли происходить миллиарды лет назад. Затем в лаборатории, в условиях, имитирующих земные в то время, сначала осуществить синтез самых простых биогенных соединений, потом получить из них биополимеры, обладающие каталитической активностью, и только потом — структуры, напоминающие клеточную мембрану. Тем самым можно доказать принципиальную возможность химической эволюции — поступательного процесса появления новых химических соединений, более сложных и высокоорганизованных по сравнению с исходными веществами, происходившего на Земле перед возникновением жизни.
Основные положения концепции химической эволюции таковы.
• Жизнь возникла на Земле естественным путём из неорганических веществ с затратой энергии, которая поступала извне.
• Возникновение жизни — это процесс появления всё новых химических соединений, которые первоначально образовались из неорганических веществ, а также новых химических реакций.
• Химическая эволюция — процесс, протекавший на протяжении сотен миллионов и миллиардов лет в очень специфических условиях под влиянием мощных внешних источников энергии.
• Важную роль в химической эволюции играл предбиологический отбор, благоприятствовавший образованию прежде всего сложных соединений, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению.
• Ключевым в процессе химической эволюции был фактор самоорганизации, свойственный всем сложным системам, к которым относятся и органические молекулы.
А можно ли в современных условиях на Земле найти граничное состояние между неживым и живым? Оказывается, можно. Это те же вирусы, которые проявляют свойства живого и неживого, хотя, как считает большинство учёных, не имеют никакого отношения к химической эволюции и происхождению жизни. Ещё более интересными выглядят находки совершенно нового пограничного состояния, так называемых нанобактерий. Это очень мелкие округлые субстанции, не превышающие по размерам вирусы, которые можно рассмотреть в электронный микроскоп. Большинство учёных считает их биоминералами. Нанобактерии способны к самовоспроизводству в присутствии определённых витаминов, причём их размножение осуществляется путём самокопирования. При этом они не содержат ни ДНК, ни РНК, ни каких-либо других белков. Химические процессы, протекающие в этих субстанциях, проходят иначе, чем у прокариот, а скорость роста их в тысячи раз меньше, чем бактерий.
Современные представления об основных этапах абиогенеза. В процессе образования органических соединений и их постепенного усложнения можно выделить ряд этапов.
1. Синтез органических мономеров: органических кислот, аминокислот, углеводов, азотистых оснований. Для этого на Земле во времена зарождения жизни имелись все условия: обилие воды, метана, аммиака и цианидов, отсутствие кислорода и других окислителей (атмосфера носила восстановительный характер), избыток свободной энергии в виде ультрафиолетового излучения, электрических разрядов и вулканической деятельности.
Возможность синтеза аминокислот и других низкомолекулярных соединений из химических элементов и неорганических соединений доказана экспериментально. Для этого составляющие атмосферы Земли того времени (углекислый газ, метан, аммиак и водяной пар) заключили в замкнутый сосуд и через эту смесь пропускали электрические разряды (рис. 198). В результате удалось синтезировать ряд сравнительно сложных биогенных соединений: аминокислоты (глицин, аланин, аспарагиновую кислоту), янтарную и молочную кислоты и другие низкомолекулярные органические соединения. Похожие результаты получали неоднократно, в том числе и при использовании других источников энергии, других газов и их разного соотношения. С учётом того, что в настоящее время десятки простых органических соединений найдены в межпланетном пространстве, можно вполне обоснованно предполагать, что миллиарды лет назад до возникновения жизни концентрация органических соединений на Земле местами могла быть достаточно высокой и, будучи растворёнными в воде, они образовывали так называемый «первичный бульон».
Рис. 198. Схема лабораторной установки, которая имитировала природные условия на Земле во время абиогенеза.
2. Синтез органических полимеров был следующим этапом химической эволюции и осуществлялся из имеющихся мономеров. В качестве катализаторов могли использоваться ионы металлов, а матрицей служить частицы глины. В результате в «первичном бульоне» плавали различные полипептиды и простейшие липиды (вспомните, из каких двух компонентов построены жиры), которые соединялись друг с другом, образуя более сложные многомолекулярные комплексы — коацерваты, имевшие вид капель с чёткими границами (рис. 199). Они уже были способны поглощать различные вещества, в них протекали различные реакции, в частности, происходила полимеризация поступающих из внешней среды мономеров. За счёт этих реакций капли могли расти — увеличиваться в объёме, а после достижения критической массы размножаться — дробиться на дочерние капли. Таким образом, коацерваты могли расти, размножаться, осуществлять обмен веществ. Автором идеи коацерватных капель, которому удалось получить их в лабораторных условиях ещё в 20-х годах XX ст., был выдающийся русский биохимик Александр Иванович Опарин (1894— 1980).
Далее самые устойчивые коацерватные капли, благодаря предбиологическому отбору, получали преимущество, которое обеспечило совершенствование мира молекул.
Рис. 199. Коацерватные капли в микроскопе.
3. Образование комплексов белков и нуклеиновых кислот и связанное с этим появление реакций матричного типа и возникновение липидных мембран. Наличием только одних коацерватов, состоящих из белков и липидов, нельзя объяснить, каким образом наиболее эффективно устроенные коацерватные капли передают свои исключительные особенности из поколения в поколение. Для этого нужен наследственный аппарат. Сначала, как считают, он строился исключительно из РНК, которые обеспечивали все матричные процессы, а ДНК возникла значительно позже. Вероятнее всего, на определённом этапе коацерваты вступили в симбиоз с колониями самовоспроизводящихся молекул РНК, что привело к формированию первых по-настоящему автономных биологических систем — протобионтов (от греч. про — перед и биос) (рис. 200).
Рис. 200. Строение типичного про- тобионта: 1 — микрочастицы; 2 — РНК; 3 — внешняя мембрана; 4 — впячивания мембраны.
4. Появление первых биологических систем и организмов. Появлением протобионтов, как считается, завершился процесс химической эволюции. Одни исследователи относят их к неживыми субстанциям, а другие — к очень примитивным живым существам, уже имевшим свою эволюцию. За время существования у них образовались настоящие ферменты, резко возросла устойчивость матричного синтеза и начали образовываться клеточные мембраны. Именно из протобионтов более 3,5 млрд лет назад возникли архебионты (от греч. археос — древний и биос) — первые организмы. Как считают, они уже имели три основных клеточных компонента: клеточную мембрану, цитоплазму и генетический аппарат. У архебионтов появились электрон-транспортные цепи, возникли репликация нуклеиновых кислот и биосинтез белка, осуществлявшиеся на основании генетического кода.
До сих пор в лабораторных условиях не удалось синтезировать живые организмы, хотя налицо конкретные успехи, дающие основание полагать, что предбиологическая эволюция — гипотеза, представляющая большой научный интерес. В пробирках из неорганических веществ удалось получить аминокислоты, из них синтезировать простейшие полипептидные цепи, а из этих полипептидов и воды создать протоклетки — обладающие ферментативной активностью частицы сферической формы (рис. 201), состоящие из полипептидных цепей, которые могут увеличиваться в размерах, делиться и почковаться.
Рис. 201. Общий вид протоклетки.
Концепция космического возникновения жизни на Земле (рис. 202). Научная идея, согласно которой жизнь могла быть занесена из космоса, получила название концепции панспермии (от греч. пан — всё, сперматос — семя). Вначале она была высказана немецким учёным Г. Е. Рихтером, а затем обоснована шведским физиком Сванте Августом Аррениусом (1859—1927). Последний подсчитал, что фотоны света оказывают давление на частицы, сопоставимые по диаметру со спорами бактерий. Благодаря этому споры с огромными скоростями могут перемещаться в межпланетном пространстве. Предполагается, что такие споры попали на Землю с метеоритами или космической пылью. Это предположение косвенно подтверждается тем, что споры бактерий могут находиться в состоянии покоя без всякого для них ущерба тысячелетиями, выдерживают длительное пребывание при температуре абсолютного минимума (-273 °С), чрезвычайно устойчивы к радиации и ультрафиолетовому излучению, вакууму и прочим химическим и физическим воздействиям.
Рис. 202. Так приверженцы панспермии представляют себе занесение жизни на Землю.
Чрезвычайной устойчивостью к факторам космической среды обладают не только споры бактерий, но даже некоторые группы многоклеточных животных, например, тихоходки - отдельный класс типа Членистоногие (рис. 203). В состоянии диапаузы эти микроскопические, похожие на медвежат животные выдерживают: нагревание до + 150 °С и охлаждение до -271 °С, пребывание в вакууме, давление около 6000 атмосфер, что в шесть раз превышает давление на дне самого глубокого места в океане, воздействие самого сильного рентгеновского излучения: 570 000 рентген убивает только 50 % облучаемых особей (сравните: для человека смертельная доза радиации - 500 рентген); пребывание в чистом водороде; высыхание продолжительностью свыше 100 лет; полное отсутствие кислорода.
Рис. 203. Тихоходка — животное, наиболее приспособленное к экстремальным условиям существования.
Тем не менее, детальные космические и прочие исследования не дали достоверных фактов, подтверждающих гипотезу панспермии. Присутствие каких-либо живых частиц в космосе или на планетах Солнечной системы не обнаружено. До сих пор нет данных, подтверждающих реальность занесения существ в метеоритах, а все споры или бактерии, обнаруженные в камнях инопланетного происхождения, оказались обычными земными видами. Но даже если предположить, что первые организмы попали на Землю из космоса, что им подошли условия, которые были на ней 3—4 млрд лет назад, и они размножались, а затем дали начало органической эволюции и жизни на Земле, всё равно остаётся открытым вопрос об изначальном возникновении жизни и возможности предбиологической эволюции.
Большинство современных биологов, занимающихся вопросами эволюции, считают, что происхождение жизни на Земле является результатом предбиологической (химической эволюции). Этот процесс происходил на Земле перед возникновением жизни и заключался в появлении всё новых, более сложных химических соединений. В настоящее время химическая эволюция — только очень правдоподобная научная гипотеза, которая по мере расширения исследований в данной области находит всё большее подтверждение.
Проверьте себя
1. В чём состоят существенные различия идей самозарождения и абиогенеза? 2. Что такое химическая эволюция и каковы её главные положения? 3. Что собой представляют протоклетки? 4, В чём состоит ограниченность идеи панспермии?
Как вы считаете?
1. Почему в лабораторных условиях до сих пор не удалось синтезировать живые организмы из неорганических веществ и химических элементов? 2. Жизнь на планете Земля -уникальное или обычное явление, распространённое на многих планетах вселенной. Ответ обоснуйте.