Воды первичного океана имели примерно такой же состав, как и сегодня, но в них так же, как и в атмосфере, отсутствовал свободный кислород. Таким образом, свободный кислород, а значит, и химический состав современной атмосферы, как и свободный кислород океанов Земли, не были первоначально заданы при рождении нашей планеты как небесного тела, а являются результатом жизнедеятельности первых живых организмов, составивших первичную биосферу Земли.

Под действием солнечных и космических лучей, проникавших через разреженную атмосферу, происходила ионизация, превращавшая атмосферу в холодную плазму. Поэтому атмосфера ранней Земли была насыщена электричеством, в ней вспыхивали частые разряды. В таких условиях шло быстрое и одновременное синтезирование разнообразных органических соединений, среди которых были и весьма сложные. Эти соединения, как и те, что попали на Землю в уже готовом виде из космоса, представляли собой подходящее сырье, из которого на следующей стадии эволюции могли образовываться аминокислоты и нуклеотиды.

Радиоактивный разогрев недр Земли пробудил тектоническую активность, заработали вулканы, выделявшие огромное количество вулканических газов. Это уплотнило атмосферу, отодвинув границу ионизации в верхние слои. При этом процесс образования органических соединений продолжался.

Частые грозы с длительными ливнями приносили эти элементы в водоемы, покрывавшие нашу планету, добавляя их к тем, что уже были растворены в них. Таким образом, были накоплены большие запасы органического сырья. По некоторым подсчетам, его масса оценивается в 10¹⁶ кг, что всего на 2-3 порядка меньше массы современной биосферы. Согласно расчетам, концентрация этого вещества в водах океана составляла 1%.

После того, как углеродистые соединения образовали «первичный бульон», могли уже организовываться биополимерьг – «аминокислоты и нуклеотиды, «кирпичики» белков и нуклеиновых кислот. Необходимая концентрация веществ для образования биополимеров могла возникнуть в результате осаждения органических соединений на минеральных частицах, например на глине или гидроокиси железа, образующих ил водоемов. Кроме того, органические вещества могли образовывать на поверхности океана тонкую пленку, которую ветер и волны гнали к берегу, где она собиралась в толстые слои. В химии известен также процесс объединения родственных молекул в разбавленных растворах.

Дальнейший этап биогенеза связан с концентрацией органических веществ и появлением протобионта – молекулы РНК в результате скачка, приведшего к образованию живого из неживого. Протобионты представляли собой системы органических веществ, покрытых оболочкой, способных взаимодействовать с окружающей средой, то есть расти и развиваться за счет поглощения из окружающей среды богатых энергией веществ, а также умеющих размножаться, передавая полезные признаки своим потомкам.

К сожалению, механизм перехода от сложных органических веществ к простым живым организмам наукой пока не установлен. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему. В соответствии с ней между первичными сгустками органических веществ (коацерватов) могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей стабильность данным сгусткам. Именно с появлением мембраны можно говорить о рождении клетки.

Все трудности, которые возникают у ученых при решении проблемы происхождения жизни, мы описали выше. Тем не менее, жизнь возникла и после этого стала развиваться быстрыми темпами, претерпевая изменения, а также меняя окружающую ее среду, весь облик нашей планеты.

2. История проблемы происхождения жизни в биологии

2.1 Концепция креационизма

Концепция креационизма имеет саму длинную историю, так как практически во всех древних политеистических религиях выделялся бог, ответственный за начало жизни. В мировых религиях эта функция приписывается единственному Богу – творцу мира. Так, в иудео-христианской традиции Бог сотворил мир, в тои числе растения, животных и человека, всего за шесть дней из ничего по своему желанию. Так, в 1650 г. архиепископ Ашер из Ирландии вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н.э. Последний акт творения – создание человека было закончено 23 октября в 9 часов утра. Ашер получил эти результаты, сложив возраст всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии, от АдамадоХриста. Правда, и это время на Ближнем Востоке уже существовали цивилизации Древнего Египта и Шумера, но с арифметической точки зрения все было правильно.

Интересно был решен вопрос о продолжительности акта творения мира. В Библии сказано, что Бог сотворил мир за шесть дней. Некоторые христианские теологи верят, что это были обычные дни по 24 часа. Другие богословы относились к библейским текстам как к аллегориям и считали, что каждый день творения занимал тысячу лет. Но в любом случае все рассуждения базируются лишь на вере в библейские откровения, сомневаться в которых нельзя, а научные истины в соответствии с принципом фальсификации всегда подвергаются сомнению.

Поэтому концепция креационизма, по существу, научной не является, поскольку возникла в рамках религиозного мировоззрения. Она утверждает, что жизнь такова, какова она есть, потому что такой ее сотворил Бог. Тем самым практически снимается вопрос о научном решении проблемы происхождения жизни, так как все религии требует принимать это положение на веру, без доказательств. Тем не менее, эта концепция до сих пор продолжает пользоваться довольно большой популярностью.

2.2 Концепция самозарождения жизни из неживого вещества

Вплоть до середины XIX века единственной альтернативой креационизму была концепция многократного самозарождения жизни из неживого вещества. Эта точка зрения возникла в древности в связи с тем, что повседневные наблюдения показывали, как в мусорных кучах, гниющих отбросах постоянно появляются личинки, черви, мухи. Поскольку о существовании микроорганизмов в те времена еще не было ничего известно, считалось, что все низшие организмы появляются путем самозарождения. То же самое говорилось о головастиках, которые, как считалось, самозарождались из ила.

Данную концепцию поддерживали такие крупные ученые и выдающиеся мыслители, как Аристотель, Парацедьс. Гарвеи, Коперник, Галилей, Гете, Декарт, Шеллинг и др. их авторитет во многом определил длительный срок существования идеи самозарождения и ее широкое распространение. Достаточно сказать, что опыты Франца Ради, проведенные еще в XVII п., доказали невозможность самозарождения червей и гниющего мяса при отсутствии мух. Реди известен нам и сегодня, как автор знаменитого принципа, получившего ею имя: «Все живое – от живого». Поэтому Реди стал основоположником концепции биогенеза, утверждавшей, что жизнь возникает только из предшествующей жизни. В XVIII веке итальянец Л. Спаллинцани провел опыты с мельчайшими существами, доказав, что в прокипяченных органических настоях не могут самопроизвольно зарождаться микроорганизмы. Но эти эксперименты не оказали серьезного влияния на господствующую в науке концепцию спонтанного самозарождения.

Лишь в 60-е годы XIX в. в развернувшейся между Ф.А. Пуше и Л. Пастером дискуссии, потребовавшей экспериментальных исследований, удалось строго научно обосновать несостоятельность этой концепции. Опыты Пастера продемонстрировали, что микроорганизмы появляются в органических растворах в силу того, что туда были ранее занесены их зародыши. Если же сосуд с питательной средой оградить от занесения в него микробов, проведя стерилизацию (пастеризацию), то никакого самозарождения не произойдет. Опыты Пастера подтвердили принцип Реди и показали научную несостоятельность концепции спонтанного самозарождения организмов. Но, опровергнув эту концепцию, Пастер, к сожалению, не предложил никакой другой идеи. Поэтому в середине XIX в. наука не могла ничего утвердительно сказать о том, как возникла жизнь на Земле.

2.3 Концепция панспермии

В 1865 году немецким ученым Георгом Рихтером на стыке космогонии и физики была разработана гипотеза занесения жизни и живых существ на Землю из космоса – панспермии. Согласно его идее, зародыши простых организмов могли попасть в темные условия вместе с метеоритами и космической пылью, положив начало эволюции живого, породившей все многообразие земной жизни. Таким образом, концепция панспермии предполагает, что земная жизнь в виде некоторых «семян» широко распространена в космосе.

В 1908 г. шведский химик Сванге Аррениус поддержал гипотезу космического происхождения жизни. Он высказал мысль, что жизнь на Земле началась тогда, когда на нашу планету из космоса попали зародыши жизни. Аррениус считала, что «частицы жизни», носящиеся в бескрайних просторах космоса, переносились давлением света от звезд, оседали то здесь, то там, осеменяя ту или иную планету.

Концепция панспермии была поддержана также Г. Гельмгольцем, В.И. Вернадским, что способствовало ее широкому распространению среди ученых. Довольно большое число сторонников имеет эта концепция, и в наши дни. Так, американские астрономы, изучая газовую туманность, отстоящую от Земли на 25 тысяч световых лет, нашли в ее спектре следы аминокислот и других органических веществ. В начале 1980-х годов американские исследователи обнаружили в Антарктиде осколок породы, выбитой когда-то с поверхности Марса крупным метеоритом.Припомощи электронною микроскопа в этом камне были обнаружены окаменевшие останки микроорганизмов, похожих на земные бактерии. Это говорит о том, что в прошлом на Марсе существовала примитивная жизнь, может быть, она есть там и сейчас. Тем не менее, убедительных аргументов в пользу концепции панспермии нет. При этом есть серьезные доводы противнее. Дело в том, что, хотя спектр возможных условий для существования живых организмов достаточно широк, все же считается,что они должны погибнуть в космосе под действием ультрафиолетовых и космических лучей.

Были попытки опровергнуть это. Так, голландский ученый М. Гринберг считал, что на нашу планету жизнь была занесена кометами. По его мнению, живые клетки зародились в газовых хвостах комет. Поэтому он попытался воспроизвести в лабораторных условиях кометную среду. Для этого Гринберг смесь метана, окиси углерода и воды охладил до температуря» – 269°С и подверг ультрафиолетовому облучению. В результате он получил сложные органические соединения. Но опыты Гринберга не изменили мнения большинства ученых.

Некоторая часть ученых склоняется к версии о «направленной» панспермии. Она довольно неплохо изложена в произведениях некоторых писателей-фантастов. Суть ее – в признании существования некой галактической сверхцивилизации сеятелей, которые создают и распространяют семена жизни по разным планетам. Среди ее сторонников – английский профессор Ф. Крик, один из первооткрывателей структуры гена. К сожалению, при всей своей привлекательности эта версия не выдерживает строгой научной критики, у нас нет ни одного довода в ее пользу. Кроме того, все существующие варианты концепции панспермии все равно не решают проблемы происхождения жизни. Они лишь выносят ее за пределы Земли – если жизнь была занесена на Землю из космоса, то где и как она возникла там?

2.4 Концепция стационарного состояния

Концепция стационарною состояния заявляет о том, что проблемы зарождения жизни вообще не существует. Некоторые ученые, среди которых был и В.И. Вернадский, заявляли, что жизнь на Земле (как и сама Земля) никогда не возникала, а существовала всегда и была занесена из космоса. В разные геологические эпохи менялись лишь формы жизни. Также считается, что живые виды никогда не возникали, а существовали всегда, что у каждого вида есть лишь две возможности – изменение численности или вымирание.

Сторонники этой точки зрения исходят из принципа Рели, утверждающего, что все живое происходит только от живою, а также из отсутствия экспериментов, подтверждающих возможность зарождения живого из неживого. Кроме того, в их пользу говорили научные данные, все дальше отодвигавшие время появления нашей планеты. Если Ашер оценивал возраст Земли и 6 тысяч лет, то в наши дни он увеличился до 4,5 млрд. лет. Также немногочисленные сторонники этой концепции истолковывают в свою пользу неясные аспекты эволюции, разрывы в палеонтологической летописи жизни.

2.5 Идея биохимической эволюции. Концепция А.И. Опарина

Одним из главных препятствий, стоявших вначале ХХ века на пути решения проблемы возникновения жизни, было господствовавшее тогда в науке и основанное на повседневном опыте убеждение в том, что органические вещества в природных условиях возникают только биогенно, то есть путем их синтеза живыми существами. Считалось, что представили себе естественное возникновение даже простейших организмов изнеорганических веществ (углекислоты, воды, азота и т.д.) совершенно невозможно. Поэтому так важно стало появление концепции А.И. Опарина, вступившей в противоречие с общепринятым тогда мнением. В 1923 г. он выступил с утверждением, что принцип Реди, вводящий монополию биотического синтеза органических веществ, действует лишь в современную эпоху существования нашей планеты. В начале же своего существования, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотические синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция. Затем совершалось постепенное усложнение этих соединении и превращение их в протобионты (доклеточные предки живых организмов). Итогом стало появление первичных живых существ. Иными словами, в раннюю геологическую эпоху было возможно абиогенное происхождение жизни.

Опарин стал рассматривав появление жизни как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли химической эволюции, перешедшей на качественно новый уровень – биохимическую эволюцию. Исходя из теоретических предположений он экспериментально доказал, что под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси первичной атмосферы Земли, содержащие пары воды, аммиака, циана, метана и др., произошло появление аминокислот, нуклеотидов и их полимеров. Также Опарин считал, что данные органические соединения накапливались и концентрировались в «первичном бульоне» гидросферы Земли, после чего часть из них дала начало коллоидным системам, которые он назвал коацерватными каплями.Они и стали предками живых организмов на Земле.

Согласно гипотезе Опарина, возникновение и развитие химической эволюции произошло в ходе образования и накопления в первичных водоемах органических молекул. Весь дальнейший процесс представлялся ему следующим образом. Органические вещества сталкивались в сравнительно неглубоких местах первичных водоемов, прогреваемых солнцем. Солнечное излучение доносило в то время до поверхности Земли ультрафиолетовые лучи, которые в наше время задерживаются озоновым слоем атмосферы. В свою очередь, ультрафиолетовые лучи обеспечивали энергией протекание химических реакций между органическими соединениями. Таким образом, в некоторых зонах первичных водоемов произошли случайные химические реакции. Большая их часть быстро завершалась из-за недостатка исходного сырья. Но в хаосе химических реакций произвольно возникали и закреплялись реакции циклических типов, обладавшие способностью к самоподдержке и самоорганизации. Результатом этих реакций и стали коацерваты – целостные системы, имеющие оболочку, отделяющую их от окружающей среды. Существенной особенностью этих систем была способность поглощать из внешней среды различные органические вещества. Иными словами, они осуществляли первичный обмен веществ со средой, а это – одно из важнейших свойств и условий жизни. Далее, как предполагал Опарин, начал действовать естественный отбор, способствовавший «выживанию» наиболее устойчивых коацерватных систем. По сути дела, эти системы были примитивными белками. Правда, коацерваты, описанные Опариным, были наделены способностью к первичному метаболизму, но не имели специальных структур для передачи генетической информации. По мнению ученого, это свойство, как и свойство целесообразности, приспособленности живых организмов к среде их обитания, возникли позднее, в ходе естественного отбора.

Популярность концепции Опарина в научном мире очень велика. Его книга «Происхождение жизни» вышла в свет еще в 1924 году Но большую часть экспериментов, развивавших идеи ученого, ставали уже в 1950–1960-е годы Так, Стэнли Миллерв ряде экспериментов смоделировал условия, существовавшие на раннем этапе развития Земли В сделанной им установке были синтезированы многие аминокислоты, аденин, простые сахара и другие вещества, имеющие важное биологическое значение После этого Орджел в сходном эксперименте синтезировал простые нуклеиновые кислоты

Таким образом, ученики и последователи Опарина продолжили его исследования, добившись значительных результатов. Но у его концепции есть как сильные, так и слабые стороны.

Сильной стороной концепции является достаточно точное соответствие ее химической эволюции, согласно которой зарождение жизни является закономерным результатом добиологической эволюции материи Убедительным аргументом в пользу этой концепции является также возможность экспериментальной проверки ее основных положений. Это касается не только лабораторного воспроизведения предполагаемых физико-химических условий первичной Земли, но и коацерватов, имитирующих доклеточного предка и его функциональные особенности.

Слабой стороной концепции является невозможность объяснения самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам, ведь ни в одном из поставленных экспериментов получить жизнь так и не удалось. Кроме того, Опарин допускает возможность самовоспроизведения коацерватов при отсутствии молекулярных систем с функциями генетической кода. Иными словами, без реконструкции эволюции механизм наследственности объяснить процесс скачка от неживого к живому не удается.

Попытки решить вопрос о жизни предпринимались философами и учеными на протяжении многих веков. Своими корнями они уходят в эпоху античности. С тех пор прошло более двух с половиной тысяч лет, но в биологии существует лишь шесть концепций, объясняющих происхождение жизни: креационизм – сотворение жизни Богом; концепция стационарного состояния – идея вечности жизни; концепция многократного самозарождения живого из неживого вещества; концепция панспермии – возникновение жизни из космоса; случайное однократное происхождение жизни; закономерное происхождение жизни путем химической эволюции.

3. Современное состояние проблемы происхождения жизни