IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017
НАУЧНЫЕ И НЕНАУЧНЫЕ ТЕОРИИ О ПРОИСХОЖДЕНИИ ЖИЗНИ
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Жизнь на Земле появилась более 3,5 млрд лет назад – точнее обозначить момент трудно хотя бы потому, что нелегко провести грань между «почти живым» и «живым по-настоящему». Однако можно сказать точно, что этот волшебный момент растянулся на многие, длинные миллионы лет. И всё равно это было настоящее чудо [5].
Чтобы оценить это чудо по достоинству, надо познакомиться с рядом современных теорий, описывающих разные варианты и этапы рождения жизни. От бойкого, но безжизненного набора несложных органических соединений и до протоорганизмов, познавших смерть и вступивших в бесконечную гонку биологической изменчивости. В конце концов, не эти ли два слагаемых – изменчивость и смерть – порождают всю сумму жизни?..
1. Панспермия1
Гипотеза о занесении жизни на Землю с других космических тел имеет массу авторитетных защитников [6]. На этой позиции стоял великий немецкий учёный Герман Гельмгольц и шведский химик Сванте Аррениус, российский мыслитель Владимир Вернадский и британский лорд-физик Кельвин. Однако наука – область фактов, и после открытия космической радиации и её губительного действия на все живое панспермия, казалось, умерла.
Но чем глубже ученые погружаются в вопрос, тем больше всплывает нюансов. Так, теперь – в том числе и поставив многочисленные эксперименты на космических аппаратах – мы с куда большей серьезностью относимся к способностям живых организмов переносить радиацию и холод, отсутствие воды и прочие «прелести» пребывания в открытом космосе. Находки всевозможных органических соединений на астероидах и кометах, в далеких газопылевых скоплениях и протопланетных облаках многочисленны и не вызывают сомнений. А вот заявления об обнаружении в них следов чего-то подозрительно напоминающего микробы остаются недоказанными.
Легко заметить, что при всей своей увлекательности теория панспермии лишь переносит вопрос о возникновении жизни в другое место и другое время. Что бы ни занесло первые организмы на Землю – случайный ли метеорит или хитрый план высокоразвитых инопланетян, они должны были где-то и как-то родиться. Пусть не здесь и гораздо дальше в прошлом – но жизнь должна была вырасти из безжизненной материи. Вопрос «Как?» остаётся.
2. Самозарождение
Спонтанное происхождение высокоразвитой живой материи из неживой – как зарождение личинок мух в гниющем мясе – можно связать ещё с Аристотелем, который обобщил мысли множества предшественников и сформировал целостную доктрину о самозарождении. Как и прочие элементы философии Аристотеля, самозарождение было доминирующей доктриной в Средневековой Европе и пользовалось определённой поддержкой вплоть до экспериментов Луи Пастера, который окончательно показал, что для появления даже личинок мух нужны мухи-родители. Не стоит путать самозарождение с современными теориями абиогенного возникновения жизни: разница между ними принципиальная.
3. Первичный бульон
Это понятие тесно связано с успевшими обрести статус классических экспериментами, поставленными в 1950-х Стэнли Миллером и Гарольдом Юри [7]. В лаборатории учёные смоделировали условия, которые могли существовать у поверхности молодой Земли, – смесь метана, угарного газа и молекулярного водорода, многочисленные электрические разряды, ультрафиолет, – и вскоре более 10 % углерода из метана перешло в форму тех или иных органических молекул. В опытах Миллера – Юри было получено больше 20 аминокислот, сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот.
Современные вариации этих классических экспериментов используют куда более сложные постановки, которые точнее соответствуют условиям ранней Земли. Имитируются воздействия вулканов с их выбросами сероводорода и двуокиси серы, присутствие азота и т.д. Так учёным удаётся получать огромное и разнообразное количество органики – потенциальных кирпичиков потенциальной жизни. Главной проблемой этих опытов остается рацемат: изомеры оптически активных молекул (таких как аминокислоты) образуются в смеси в равных количествах, тогда как вся известная нам жизнь (за единичными и странными исключениями) включает лишь L-изомеры.
Стоит добавить, что недавно – в 2015 году – кембриджский профессор Джон Сазерленд (John Sutherland) со своей командой показал возможность образования всех базовых «молекул жизни», компонентов ДНК, РНК и белков из весьма нехитрого набора исходных компонентов. Главные герои этой смеси – циановодород HCN и сероводород H2S, не столь уж редко встречающиеся в космосе. К ним остаётся добавить некоторые минеральные вещества и металлы, в достаточном количестве имеющиеся на Земле, – такие как фосфаты, соли меди и железа. Учёные построили детальную схему реакций, которая вполне могла создать насыщенный «первичный бульон» для того, чтобы в нём появились полимеры и в игру вступила полноценная химическая эволюция.
Гипотезу абиогенного происхождения жизни из «органического бульона», которую проверили эксперименты Миллера и Юри, выдвинул в 1924 году советский биохимик Александр Опарин. И хотя в «тёмные годы» расцвета лысенковщины учёный принял сторону противников научной генетики, заслуги его велики. В знак признания роли академика имя его носит главная награда, вручаемая Международным научным обществом изучения возникновения жизни (ISSOL), – Медаль Опарина. Премия присуждается каждые шесть лет, и в разное время её удостаивались и Стэнли Миллер, и великий исследователь хромосом, Нобелевский лауреат Джек Шостак. Признавая громадный вклад и Гарольда Юри, в промежутках между вручениями Медали Опарина ISSOL (тоже каждые шесть лет) присуждает Медаль Юри. Получилась уникальная, настоящая эволюционная премия – с изменчивым названием.
4. Химическая эволюция
Теория пытается описать превращение сравнительно простых органических веществ в довольно сложные химические системы, предшественницы собственно жизни, под влиянием внешних факторов, механизмов селекции и самоорганизации. Базовой концепцией этого подхода служит «водно-углеродный шовинизм», представляющий эти два компонента (воду и углерод – NS) в качестве абсолютно необходимых и ключевых для появления и развития жизни, будь то на Земле или где-то за её пределами. А главной проблемой остаются условия, при которых «водно-углеродный шовинизм» может развиться в весьма изощренные химические комплексы, способные, прежде всего, к саморепликации.
По одной из гипотез, первичная организация молекул могла происходить в микропорах глинистых минералов, которые выполняли структурную роль. Эту идею несколько лет назад выдвинул шотландский химик Александер Кейрнс-Смит (Alexander Graham Cairns-Smith). На их внутренней поверхности, как на матрице, могли оседать и полимеризоваться сложные биомолекулы: израильские ученые показали, что такие условия позволяют выращивать достаточно длинные белковые цепочки. Здесь же могли скапливаться нужные количества солей металлов, играющих важную роль катализаторов химических реакций. Глиняные стенки могли выполнять функции клеточных мембран, разделяя «внутреннее» пространство, в котором протекают все более сложные химические реакции, и отделяя его от внешнего хаоса.
«Матрицами» для роста полимерных молекул могли служить поверхности кристаллических минералов: пространственная структура их кристаллической решетки способна вести отбор лишь оптических изомеров одного типа – например, L-аминокислот, – решая проблему, о которой говорилось выше. Энергию для первичного «обмена веществ» могли поставлять неорганические реакции – такие как восстановление минерала пирита (FeS2) водородом (до сульфида железа и сероводорода). В этом случае для появления сложных биомолекул не требуется ни молний, ни ультрафиолета, как в экспериментах Миллера – Юри. А значит, мы можем избавиться от вредных аспектов их действия.
Молодая Земля не была защищена от вредных – и даже смертельно опасных – компонентов солнечного излучения. Даже современные, испытанные эволюцией организмы были бы неспособны выдержать этого жёсткого ультрафиолета – притом что само Солнце было значительно моложе и не давало достаточно тепла планете. Из этого возникла гипотеза о том, что в эпоху, когда творилось чудо зарождения жизни, вся Земля могла быть покрыта толстым – в сотни метров – слоем льда; и это к лучшему. Скрываясь под этим ледяным щитом, жизнь могла чувствовать себя вполне в безопасности и от ультрафиолета, и от частых метеоритных ударов, грозивших погубить её ещё в зародыше. Относительно прохладная среда могла также стабилизировать структуру первых макромолекул.
5. Чёрные курильщики
В самом деле, ультрафиолетовое излучение на молодой Земле, атмосфера которой ещё не содержала кислорода и не имела такой замечательной штуки, как озоновый слой, должно было быть убийственным для любой зарождающейся жизни. Из этого выросло предположение о том, что хрупкие предки живых организмов были вынуждены существовать где-то, скрываясь от непрерывного потока стерилизующих всё и вся лучей. Например, глубоко под водой – конечно, там, где имеется достаточно минеральных веществ, перемешивания, тепла и энергии для химических реакций. И такие места нашлись.
Ближе к концу ХХ века стало ясно, что океанское дно никак не может быть пристанищем средневековых монстров: условия здесь слишком тяжёлые, температура невелика, излучения нет, а редкая органика способна разве что оседать с поверхности. Фактически это обширнейшие полупустыни – за некоторыми примечательными исключениями: тут же, глубоко под водой, поблизости от выходов геотермальных источников, жизнь буквально бьёт ключом. Насыщенная сульфидами чёрная вода горяча, активно перемешивается и содержит массу минералов.
Черные курильщики океана – весьма богатые и самобытные экосистемы: питающиеся на них бактерии используют железосерные реакции, о которых мы уже говорили. Они являются основой для вполне цветущей жизни, включая массу уникальных червей и креветок. Возможно, они были основой и зарождения жизни на планете: по крайней мере, теоретически такие системы несут в себе всё необходимое для этого (рис. 1).
Рисунок 1 – Чёрные курильщики водоёма (©Wikimedia Commons [8])
6. Духи, боги, первопредки
Любые космологические мифы о происхождении мира всегда венчаются антропогоническими – о происхождении человека. И в этих фантазиях можно лишь позавидовать воображению древних авторов: по вопросу о том, из чего, как и почему возник космос, откуда и каким образом появилась жизнь – и люди, – версии звучали самые разные и почти всегда красивые. Растения, рыбы и звери вылавливались с морского дна громадным вороном, люди выползали червями из тела первопредка Паньгу [9], лепились из глины и пепла, рождались от браков богов и чудовищ. Все это удивительно поэтично, но к науке, конечно, не имеет никакого отношения.
7. Мир РНК
В соответствии с принципами диалектического материализма жизнь – это «единство и борьба» двух начал: изменяющейся и передающейся по наследству информации, с одной стороны, и биохимических, структурных функций – с другой. Одно без другого невозможно – и вопрос о том, с чего жизнь началась, с информации и нуклеиновых кислот или с функций и белков, остаётся одним из самых сложных. А одним из известных решений этой парадоксальной задачи является гипотеза «мира РНК», появившаяся ещё в конце 1960-х и окончательно оформившаяся в конце 1980-х.
РНК – макромолекулы, в хранении и передаче информации не столь эффективные, как ДНК, а в выполнении ферментативных функций – не столь впечатляющие, как белки. Зато молекулы РНК способны и на то, и на другое, и до сих пор они служат передаточным звеном в информационном обмене клетки, и катализируют целый ряд реакций в ней. Белки неспособны реплицироваться без информации ДНК, а ДНК неспособна на это без белковых «умений». РНК же может быть полностью автономной: она способна катализировать собственное «размножение» – и для начала этого достаточно.
Исследования в рамках гипотезы «мира РНК» показали, что эти макромолекулы способны и к полноценной химической эволюции. Взять хотя бы наглядный пример, продемонстрированный калифорнийскими биофизиками во главе с Лесли Оргелом (Lesley Orgel): если в раствор способной к саморепликации РНК добавить бромистый этидий, служащий для этой системы ядом, блокирующим синтез РНК, то понемногу, со сменой поколений макромолекул, в смеси появляются РНК, устойчивые даже к очень высоким концентрациям токсина. Примерно так, эволюционируя, первые молекулы РНК могли найти способ синтезировать первые инструменты-белки, а затем – в комплексе с ними – «открыть» для себя и двойную спираль ДНК, идеальный носитель наследственной информации (рис. 2).
Рисунок 2 – a-, b- и z-ДНК (©Wikimedia Commons [8])
8. Неизменность
Не более научными, нежели истории о первопредках, можно назвать и взгляды, носящие громкое имя Теории стационарного состояния. По мнению её сторонников, никакая жизнь вовсе никогда не возникала – как не рождалась и Земля, не появлялся и космос: они просто были всегда, всегда и пребудут. Все это не более обосновано, нежели черви Паньгу: чтобы всерьёз принять такую «теорию», придётся забыть о бесчисленных находках палеонтологии, геологии и астрономии. А по сути, отказаться от всего грандиозного здания современной науки – но тогда, наверное, стоит отказаться и от всего того, что полагается его жителям, включая компьютеры и безболезненное лечение зубов.
9. Протоклетки
Однако простой репликации для «нормальной жизни» недостаточно: любая жизнь – это, прежде всего, пространственно изолированный участок среды, разделяющий процессы обмена, облегчающий течение одних реакций и позволяющий исключать другие. Иначе говоря, жизнь – это клетка, ограниченная полупроницаемой мембраной, состоящей из липидов. И «протоклетки» должны были появляться уже на самых ранних этапах существования жизни на Земле – первую гипотезу об их происхождении высказал хорошо знакомый нам Александр Опарин2. В его представлении «протомембранами» могли служить капельки гидрофобных липидов, напоминающие жёлтые капли масла, плавающего в воде.
В целом идеи учёного принимаются и современной наукой, занимался этой темой и Джек Шостак3, получивший за свои работы Медаль Опарина. Вместе с Катаржиной Адамалой (Katarzyna Adamala) он сумел создать своего рода модель «протоклетки»4, аналог мембраны которой состоял не из современных липидов, а из ещё более простых органических молекул, жирных кислот, которые вполне могли накапливаться в местах возникновения первых протоорганизмов. Шостаку и Адамале удалось даже «оживить» свои структуры, добавив в среду ионы магния (стимулирующие работу РНК-полимераз) и лимонную кислоту (стабилизирующую структуру жировых мембран).
В итоге у них получилась совершенно простая, но в чём-то живая система; во всяком случае это была нормальная протоклетка, которая содержала защищённую мембраной среду для размножения РНК. С этого момента можно закрыть последнюю главу предыстории жизни – и начать первые главы её истории. Впрочем, это уже совсем другая тема, так что мы расскажем лишь об одной, но чрезвычайно важной концепции, связанной с первыми шагами эволюции жизни и возникновением громадного разнообразия организмов.
10. Вечное возвращение
«Фирменное» представление индийской философии, в западной философии связанное с трудами Иммануила Канта, Фридриха Ницше и Мирчи Элиаде. Поэтическая картина вечного странствия каждой живой души по бесконечному множеству миров и их обитателей, её перерождения то в ничтожное насекомое, то в возвышенного поэта, а то и в существо, неизвестное нам, демона или бога. Несмотря на отсутствие идей реинкарнации, Ницше эта идея действительно близка: вечность вечна, а значит, любое событие в ней может – и должно повториться вновь. И каждое существо без конца вращается на этой карусели всеобщего возвращения, так что только голова кружится, а сама проблема первичного происхождения исчезает где-то в калейдоскопе бесчисленных повторений.
11. Эндосимбиоз5
Взгляните на себя в зеркало, всмотритесь в глаза: существо, с которым вы переглядываетесь, это сложнейший гибрид, возникший в незапамятные времена. Еще в конце XIX века немецко-английский естествоиспытатель Андреас Шимпер (Andreas Schimper) заметил, что хлоропласты – органеллы растительной клетки, ответственные за фотосинтез, – реплицируются отдельно от самой клетки. Вскоре появилась гипотеза о том, что хлоропласты – это симбионты, клетки фотосинтезирующих бактерий, когда-то проглоченные хозяином – и оставшиеся жить здесь навсегда.
Разумеется, хлоропластов у нас нет, иначе бы мы могли питаться солнечным светом, как предлагают некоторые псевдорелигиозные секты. Однако в 1920-е гипотеза эндосимбиоза была расширена, включив митохондрии – органеллы, которые потребляют кислород и поставляют энергию всем нашим клеткам. К сегодняшнему дню эта гипотеза приобрела статус полновесной, многократно доказанной теории – достаточно сказать, что у митохондрий и пластид обнаружился собственный геном, более или менее независимые от клетки механизмы деления и собственные системы синтеза белка.
В природе обнаружены и другие эндосимбионты, не имеющие за плечами миллиардов лет совместной эволюции и находящиеся на менее глубоком уровне интеграции в клетке. Например, у некоторых амёб нет собственных митохондрий, зато есть включенные внутрь и выполняющие их роль бактерии. Есть гипотезы и об эндосимбиотическом происхождении других органелл – включая жгутики и реснички, и даже клеточное ядро: согласно мнению некоторых исследователей, все мы, эукариоты, стали результатом небывалого слияния между бактериями и археями. Эти версии пока не находят строгого подтверждения, однако ясно одно: едва возникнув, жизнь стала поглощать соседей – и взаимодействовать с ними, рождая новую жизнь.
12. Креационизм
Само понятие креационизма [10] возникло в XIX веке, когда этим словом стали называться сторонники различных версий появления мира и жизни, предложенных авторами Торы, Библии и других священных книг монотеистических религий. Однако по сути ничего нового в сравнении с этими книгами креационисты не предложили, раз за разом пытаясь опровергнуть строгие и основательные находки науки – а на самом деле раз за разом теряя одну позицию за другой. К сожалению, идеи современных псевдоучёных-креационистов куда легче понять: на осознание теорий настоящей науки требуется-таки потратить немало усилий.
Список использованных источников
1. Подчиненкова Д.П., Алексеева М.В., Тюрина С.Г., Френкель Е.Э. Происхождение и сущность жизни. История проблемы // VII Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум 2015» [Электронный ресурс]:
https://www.scienceforum.ru/2015/1382/21897
2. Якшигулов А.Ш., Френкель Е.Э., Кучер М.И. Общая характеристика подходов происхождения живого на Земле // VIII Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум 2016» [Электронный ресурс]:
https://www.scienceforum.ru/2016/1382/21897
3. Жалнина Н.Ю., Френкель Е.Н. Эволюционная парадигма. Происхождение и эволюция жизни на Земле // IX Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум 2017» [Электронный ресурс]: https://www.scienceforum.ru/2017/2295/26245
4. Рахматуллин М.К., Калыков Д.Д., Френкель Е.Э. О происхождении жизни на Земле // IX Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум 2017» [Электронный ресурс]: https://www.scienceforum.ru/2017/2295/29581
5. Френкель Е.Н. Концепции современного естествознания: физические, химические и биологические концепции : учеб. пособие. – Ростов н/Д: Феникс, 2014. – 246 с.
6. Панспермия // Википедия [Электронный ресурс]:
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B0%D0%BD%D1%81%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%B8%D1%8F
7. Эксперимент Миллера-Юри // Википедия [Электронный ресурс]: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82_%D0%9C%D0%B8%D0%BB%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%B0_%E2%80%94_%D0%AE%D1%80%D0%B8
8. Васильев Сергей. Семь научных теорий о происхождении жизни. И пять ненаучных версий [Электронный ресурс]: https://naked-science.ru/article/nakedscience/sem-nauchnyh-teoriy-o 11 января 2017.
9. Паньгу // Википедия [Электронный ресурс]:
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B0%D0%BD%D1%8C%D0%B3%D1%83
10. Креационизм // Википедия [Электронный ресурс]:
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%B5%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%B7%D0%BC
1 Гипотеза панспермии была выдвинута немецким учёным Германом Эбергардом Рихтером в 1867 году и поддержана Г. Гельмгольцем и С. Аррениусом. Также эту гипотезу поддерживал У. Томсон (лорд Кельвин) [6].
2 Алекса́ндр Ива́нович Опа́рин (1894–1980) – советский биолог и биохимик, создавший теорию возникновения жизни на Земле из абиотических компонентов; академик АН СССР (1946; член-корреспондент с 1939), Герой Социалистического Труда (1969).
3 Джек Шо́стак (англ. Jack William Szostak, род. 9 ноября 1952 года, Лондон) – американский учёный-цитогенетик, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине за 2009 год совместно с Кэрол Грейдер и Элизабет Блэкбёрн с формулировкой «за открытие механизмов защиты хромосом теломерами и фермента теломеразы» в соответствии с теорией, предложенной Алексеем Оловниковым в 1971 году.
4 В 2011 г. Тадаси Сугавара создал протоклетку в горячей воде
5 Эндосимбиоз широко распространён в биосфере и играет важную роль в функционировании большинства экосистем. Для большинства (возможно, практически для всех) клеточных организмов наличие эндосимбионтов обязательно для выживания или сильно повышает их приспособленность.