Вспомните основные теории возникновения жизни на Земле. Рассмотрите рисунки 31, 32. Какие этапы неорганической эволюции показаны на них?
Возникновение жизни на Земле - один из самых сложных вопросов науки. Поиском ответа на него заняты многие ученые. Ученые-идеалисты, основываясь на теологии (от греч. theos - бог и logos - учение), считают возникновение жизни актом божественного сотворения. Теории ученых-материалистов можно свести к двум основным идеям - биогенезу и абиогенезу. Согласно биогенезу, все живое на Земле произошло от живого. Абиогенез основывается на противоположном утверждении о возможности возникновения живых тел природы из неживых.
История опровержения и доказательств теорий возникновения жизни. Креационизм (от лат. creator - творец) рассматривает возникновение жизни на Земле как единожды свершившийся акт, недоступный для наблюдения. Убеждения сторонников этой теории основаны не на знаниях, а на вере. Креационизм не выдвигает никаких научных доказательств и ничего общего не имеет с научным мировоззрением. Наука занимается явлениями, доступными наблюдению, а потому она никогда не будет в состоянии ни опровергнуть, ни доказать теорию креационизма.
Теория самопроизвольного зарождения жизни (абиогенез), распространенная широко в древнейших цивилизациях Египта, Китая, Индии, а также в античной науке, считает, что живое способно зарождаться из неживого при определенных условиях. Сторонниками теории самопроизвольного зарождения жизни были Аристотель, Галилей и Ламарк. Однако еще в 1668 г. итальянский врач Франческо Реди серией опытов с открытыми и закрытыми материей сосудами показал, что появляющиеся в гниющем мясе личинки не само- зарождаются, а развиваются из отложенных мухами яиц (рис. 26). Сформулированный и вошедший в науку под его именем «принцип Реди» гласит: «все живое из живого» (биогенез).
Рис. 26. Франческо Реди (1626—1698) и его опыт
Другой итальянский ученый Ладзаро Спалланцани в 1765 г. поставил более сложный опыт. В запаянных колбах он кипятил в течение нескольких часов мясной и овощной бульоны. Исследовав через несколько дней бульоны под микроскопом, он не обнаружил в них микроорганизмов и плесени, которые обычно появлялись без кипячения.
Несмотря на убедительность опыты Реди и Спалланцани не привели к полному отказу от теории самопроизвольного зарождения жизни. Резкое возражение эти опыты вызвали у сторонников витализма (от лат. vitalis - жизненный, животворный) - учения о наличии в окружающем мире нематериальной жизненной силы, якобы необходимой для самозарождения жизни. Кипячение убивает жизненную силу, а в накрытые материей банки она не может проникнуть из воздуха, - утверждали виталисты.
Окончательный удар по теории самопроизвольного зарождения жизни нанес в 1860 г. французский ученый Луи Пастер (рис. 27). В своем опыте он доказал, что споры бактерий распространяются по воздуху. И если воздух, попадающий в колбу с прокипяченным питательным бульоном, свободен от спор, то бактерии в бульоне не появляются. «Ловушкой» для спор бактерий служило специальное S-образное горлышко колбы, через которое в нее свободно проникал воздух. Если горлышко отламывали, то бульон мутнел, так как в нем быстро развивались бактерии.
Рис. 27. Луи Пастер (1822—1895) и его опыт
Согласно теории панспермии (от греч. pan - всё и sperma - семена), впервые высказанной в 1865 г. немецким ученым Германом Рихтером, жизнь на Земле имеет внеземное (космогенное) происхождение. Споры простых организмов, например, бактерий, так называемые «семена жизни», могли попасть на Землю вместе с метеоритами и космической пылью (рис. 28). Здесь они дали начало живому. Теорию панспермии поддерживали крупнейшие ученые - Ю. Либих, С. Аррениус, В.И. Вернадский. Вместе с тем, эта теория не может считаться полноценной, так как она не рассматривает вопрос о первичном возникновении жизни. Сторонники теории панспермии лишь утверждают, что жизнь зародилась не на Земле, а в другом месте Вселенной, не отвечая на вопрос «как?».
Рис. 28. Метеорит с Марса (1), в трещинах которого американские ученые в 1996 г. обнаружили органические формы (2), похожие на бактерий
Биопоэз (от греч. bios - жизнь и poiesis - становление) рассматривает процесс возникновения живого из неживого как результат химической эволюции углеродных соединений. Биопоэз можно рассматривать как абиогенез, осуществившийся на Земле в прошлом и невозможный в настоящее время.
На основании ряда гипотез и открытий основные положения этой теории сформулировал в 1947 г. английский ученый Джон Бернал. Согласно биопоэзу, возникновение жизни на любой планете неизбежно, если создаются и существуют длительное время два условия - определенные неорганические соединения и источники энергии. В возникновении жизни биопоэз выделяет три этапа: 1) абиогенный (вне живых систем) синтез органических соединений из неорганических; 2) образование из органических мономеров биологических полимеров; 3) формирование из биологических полимеров мембранных структур и первых клеток. Первые два этапа связаны с неорганической (планетарной и химической) эволюцией, третий - с органической (биологической) эволюцией.
Гипотезы и экспериментальное подтверждение неорганической эволюции. Согласно современным научным взглядам Земля и другие планеты Солнечной системы образовались в результате планетарной эволюции около 5 млрд лет назад из газопылевого облака первичного космического вещества.
При вращении облако уплощалось и разогревалось, в результате чего сформировались Солнце и планеты. Последующее охлаждение Солнца и планет привело к формированию их структур. Так, у Земли образовались кора, мантия, ядро и первичная атмосфера, состоявшая из метана (СН4), аммиака (NH3), углекислого газа (СО2), угарного газа (СО), водорода (Н2) и паров воды (Н2О). Кислорода (О2), присутствующего в современной атмосфере, тогда не было, т.е. первичная атмосфера Земли имела не окислительный, как сейчас, а восстановительный характер. Позднее благодаря конденсации паров воды сформировалась гидросфера - первичный океан.
Затем началась химическая эволюция. В условиях восстановительной первичной атмосферы Земли мог происходить абиогенный синтез органических соединений из неорганических с помощью электрической и световой энергии. Это предположение основывается на ряде гипотез и имеет экспериментальное подтверждение. Так, в 1924 г. отечественный ученый Александр Иванович Опарин (рис. 29) в работе «Происхождение жизни» высказал коацерватную гипотезу, согласно которой начальные этапы химической эволюции были связаны с формированием белковых структур. Первые белки могли создаваться из неорганических соединений в восстановительной атмосфере древней Земли за счет энергии мощных электрических разрядов.
В 1929 г. английский ученый Джон Холдейн сформулировал гипотезу первичного бульона. Согласно этой гипотезе, первичные органические вещества на Земле синтезировались из неорганических за счет энергии солнечной радиации (главным образом ультрафиолетового излучения).
В 1953 г. американские ученые Стенли Миллер и Гарольд Юри в специально сконструированной установке получили первое экспериментальное подтверждение гипотез Опарина и Холдейна (рис. 30). Обнаруженные ими в результате химических реакций органические соединения: молочная кислота, циано-водород, мочевина и аминокислоты (глицин, аланин, аспарагиновая кислота и др.) образовались из смеси газов (СН4, NH3, Н2) и паров воды под воздействием электрических разрядов.
Рис. 29. Александр Иванович Опарин (1894— 1980)
Рис. 30. Установка для абиогенного синтеза органических веществ С. Миллера и Г. Юри
Таким образом, можно считать доказанным, что абиогенный синтез органических веществ из неорганических с использованием энергии в восстановительных условиях возможен. Идет ли такой процесс сейчас на Земле? Не могут ли такие соединения образоваться, например, при извержении вулканов? Если это и происходит, то такие вещества мгновенно оказываются поглощенными в виде пищи микроорганизмами или сразу окисляются кислородом атмосферы.
Вторым шагом химической эволюции стало формирование из мономеров, синтезированных абиогенным путем, биологических полимеров. О механизмах подобного рода процессов ученые до сих пор спорят и не могут прийти к единому мнению. Ясно одно, что для полимеризации необходима энергия, а воды требуется не слишком много, иначе может пойти обратная реакция - расщепление полимеров на мономеры.
Рис. 31. Коацервация и коацерватные капли
По мнению Опарина, полимеризация происходила в результате коацервации (от лат. coacervatus - накопленный, собранный) - самопроизвольного разделения водного раствора мономеров на фазы с различной концентрацией. Белковые структуры обособлялись от массы воды и сливались друг с другом, формируя коацерватные капли (рис. 31). В них вещества вступали в дальнейшие химические реакции, что вело к их усложнению - химической эволюции.
Третьим, завершающим шагом химической эволюции стало формирование мембран и возникновение первых клеток. На границе трех сред (воздух, вода и суша) образовывалась пленка, состоящая из молекул белков и липидов. Она могла прогибаться, образуя одномембранные пузырьки (рис. 32). Пузырьки поднимались ветром и, падая на поверхность пленки, покрывались второй мембраной благодаря гидрофобному отталкиванию между неполярными хвостами молекул липидов. В течение миллионов лет мембраны совершенствовались, приобретая избирательную проницаемость, устойчивость, что и привело к возникновению пробионтов. Они представляли собой, по всей видимости, молекулы нуклеиновых кислот с белками, окруженные фосфолипидными мембранами. Пробионтов можно считать предшественниками первых клеток, так как в них еще не происходил обмен веществ, превращение энергии и отсутствовало точное копирование генетической информации. Переход от пробионтов к первым клеткам, обладавшим этими важнейшими признаками живого, означал появление жизни и начало органической (биологической) эволюции.
Рис. 32. Образование мембран (цифры обозначают последовательность процесса)
Биогенез, абиогенез, теории возникновения жизни на Земле: креационизм, самопроизвольное зарождение, панспермия, биопоэз; витализм, планетарная эволюция, химическая эволюция, коацерватная гипотеза, гипотеза первичного бульона, коацервация, пробионты.
1. Перечислите основные теории возникновения жизни на Земле. Какие из них могут быть причислены к биогенезу, а какие - к абиогенезу? 2. Кем и как была доказана невозможность самопроизвольного зарождения жизни на Земле? 3. Каковы основные этапы неорганической эволюции? 4. Какие условия и химические соединения необходимы для абиогенного синтеза органических соединений из неорганических? Почему невозможно повторное возникновение жизни на Земле? 5. Каким требованиям должны были удовлетворять молекулы органических соединений, чтобы химическая эволюция могла перейти в органическую (биологическую)?