Проблемы происхождения жизни

Но все теории абиогенеза основаны на том, что химическая эволюция должна была пройти два этапа:

• 1 этап - синтез исходных органических соединений;
• 2 этап - формирование биополимеров, липидов, углеводородов.

И все же, все это только теории, и реальные успехи, достигнутые  в рамках концепции абиогенеза, исчерпываются  только несколькими опытами Миллера  и Фокса, - если не считать того, что  было ясно осознано по крайней мере одно фундаментальное ограничение на возможность синтеза "живых" (т.е. биологически активных) макромолекул из более простых органических "кирпичиков".

Дело в том, что многие органические соединения представляют собой смесь двух так называемых оптических изомеров - веществ, имеющих  совершенно одинаковые химические свойства, но различающихся так называемой оптической активностью. Они по-разному  отклоняют луч поляризованного  света, проходящий через их кристаллы  или растворы, и в соответствии с направлением этого отклонения называются право- или левовращающими; свойством этим обладают лишь чистые изомеры, смеси же их оптически неактивны. Явление это связывают с наличием в молекуле таких веществ так  называемого асимметричного атома  углерода, к четырем валентностям которого могут в разном порядке  присоединяться четыре соответствующих  радикала. Так вот, эти химически идентичные вещества, как выяснил еще в 1848 г. Л. Пастер, вовсе не являются таковыми для живых существ: плесневый гриб пенициллиум, развиваясь в среде из виноградной кислоты, "поедает" лишь ее правовращающий изомер, а в среде из молочной кислоты - левовращающий (на этом, кстати, основан один из методов разделения оптических изомеров), человек легко определяет на вкус изомеры молочной кислоты.

Сейчас известно, что все  белки на нашей планете построены  только из левовращающих аминокислот, а нуклеиновые кислоты - из правовращающих сахаров; это свойство, называемое хиральной чистотой, считается одной из фундаментальнейших характеристик живого. А поскольку при любом абиогенном синтезе (например, в аппарате Миллера) образующиеся аминокислоты будут состоять из приблизительно равных (по теории вероятностей) долей право- и левовращающих изомеров, то в дальнейшем - при синтезе из этого "сырья" белков - перед нами встанет задача: как химическими методами разделить смесь веществ, которые по определению химически идентичны? (Не зря оптической активностью обладают лишь природные сахара - и ни один из синтетических, а упомянутые выше полипептиды из метеоритного вещества состоят из равных долей право- и левовращающих аминокислот.)

Между тем, даже успешный синтез "живых" макромолекул сам по себе проблемы не решает. Для того, чтобы макромолекулы заработали, они должны быть организованы в клетку - причем никаких возможностей для "промежуточной посадки" в ходе этого немыслимой сложности "перелета" вроде бы не просматривается: все так называемые доклеточные формы жизни - вирусы - являются облигатными (т.е. обязательными) внутриклеточными паразитами, а потому навряд ли могут являться предшествениками клеток. Пропасть, отделяющая полный набор аминокислот и нуклеотидов от простейшей по устройству бактериальной клетки, в свете современных знаний стала казаться еще более непреодолимой, чем это представлялось в прошлом веке.

Несмотря на это, до сих пор не перестают возникать различные  теории возникновения жизни в  рамках абиогенеза.

Мартин и Рассел предположили, что живые организмы покинули каменные ячейки, когда научились  сами строить клеточную стенку. Поэтому  они выдвинули довольно спорное  предположение о том, что жизнь  на Земле возникала дважды. Об этом, по их мнению, свидетельствует большая  разница в строении клеточной  стенки у двух основных царств примитивных прокариот - бактерий и архебактерий.

С этим согласны далеко не все. Например, Томас Кавалье-Смит из Оксфордского университета в Великобритании говорит, что у бактерий и архебактерий есть сотни гомологичных генов, а также множество сходных признаков, таких как, скажем, способ встраивания белков в мембрану.

Мартин в ответ утверждает, что из-за способности бактерий обмениваться ДНК сейчас нам трудно установить последовательность событий только на основе генетики. Он предполагает, что  выход обоих царств из каменных ячеек  произошел около 3,8 миллиардов лет  назад, в то время как самые  древние ископаемые образцы, бесспорно  свидетельствующие о наличии  бактерий на Земле, относятся к периоду  около 2,5 миллиардов лет назад, хотя некоторые исследователи говорят  о возникновения жизни еще 3,5 миллиарда  лет назад.

Таким образом, пока у ученых нет гипотезы происхождения жизни, которая объясняла бы все факты, которыми располагает наука.

 Теория панспермии

В качестве альтернативы абиогенезу выступала концепция панспермии, связанная с именами таких  выдающихся ученых, как Г. Гельмгольц, У. Томпсон (лорд Кельвин), С. Аррениус, В.И. Вернадский. Согласно этой гипотезе, жизнь была занесена из космоса либо в виде спор микроорганизмов, либо путем намеренного «заселения» планеты разумными пришельцами из других миров. Прямых свидетельств в пользу этого нет. Да и сама теория панспермии не предлагает никакого механизма для объяснения первичности возникновения жизни и переносит проблему в другое место Вселенной. Либих считал, что атмосферы небесных тел, а также вращающихся космических туманностей - это хранилища оживленной формы, как вечные плантации органических зародышей, откуда жизнь рассеивается в виде этих зародышей во Вселенной.

В 1865 г. немецкий врач Г.Рихтер выдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), в соответствии с которой жизнь является вечной и зачатки, населяющие мировое пространство, могут переноситься с одной планеты на другую. Его гипотеза была поддержана многими выдающимися учеными. Подобным образом мыслили Кельвин, Гельмгольц и др.

В начале нашего века с идеей  радиопанспермии выступил Аррениус. Он описывал, как с населенных другими существами планет уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Они сохраняют свою жизнеспособность, летая в пространстве Вселенной за счет светового давления. Попадая на планету с подходящими условиями для жизни, эти споры начинают на ней новую жизнь.

Для обоснования панспермии обычно используют наскальные рисунки, напоминающие живые организмы, или  появления НЛО. Сторонники же теории вечности жизни (де Шарден и др.) считают, что на всегда существующей Земле некоторые виды вынуждены были вымереть или резко изменить численность в тех или иных местах планеты из-за изменения внешних условий. Четкой концепции на этом пути не выработано, поскольку в палеонтологической летописи Земли есть некоторые разрывы и неясности. Согласно Шардену, в момент возникновения вселенной Бог слился с материей и дал ей вектор развития. Таким образом, мы видим, что эта концепция тесно взаимодействует с креационизмом.

Концепцию панспермии обычно упрекают в том, что она не дает принципиального ответа на вопрос о  путях происхождения жизни, и  лишь отодвигает решение этой проблемы на неопределенный срок. При этом молчаливо подразумевается, что жизнь должна была произойти в некой конкретной точке (или нескольких точках) Вселенной, и далее расселяться по космическому пространству - подобно тому, как вновь возникшие виды животных и растений расселяются по Земле из района своего происхождения; в такой интерпретации гипотеза панспермии действительно выглядит просто уходом от решения поставленной задачи. Однако действительная суть этой концепции заключается вовсе не в романтических межпланетных странствиях "зародышей жизни", а в том, что жизнь как таковая просто является одним из фундаментальных свойств материи, и вопрос о "происхождении жизни" стоит в том же ряду, что и, например, вопрос о "происхождении гравитации".

Все попытки обнаружить живые  существа (или их ископаемые остатки) вне Земли, и прежде всего - в составе  метеоритного вещества, так и не дали положительного результата. Неоднократно появлявшиеся сообщения о находках следов жизни на метеоритах основаны или на ошибочной интерпретации  некоторых бактериоподобных неорганических включений, или на загрязнении "небесных камней" земными микроорганизмами. Метеоритное вещество оказалось достаточно богатым органикой, однако вся она, как уже было сказано, не обладает хиральной чистотой; это последнее обстоятельство - весьма сильный довод против принципиальной возможности существования "межзвездной жизни". Таким образом, по крайней мере положение, касающееся повсеместности распространения жизни во Вселенной, не нашло подтверждения.

Концепция стационарного состояния.

Согласно теории вечности жизни, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а  если и изменялась, то очень мало; виды также существовали всегда.

Оценки возраста Земли  сильно варьировали – от примерно 6000 лет по расчетам архиепископа Ашера до 5000×10⁶лет по современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада. Более совершенные методы датирования дают все более высокие оценки возраста Земли, что позволяет сторонникам теории стационарного состояния полагать, что Земля существовала всегда. Согласно этой теории, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности – либо изменение численности, либо вымирание.

Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может  указывать на время появления  или вымирания того или иного  вида, и приводит в качестве примера  представителя кистеперых рыб –  латимерию. По палеонтологическим данным кистеперые вымерли в конце мелового периода 70 млн. лет назад. Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в районе Мадагаскара были найдены живые представители кистеперых. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее немногочисленные сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте. Так, например, внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков. Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, и она наиболее подробно разработана именно в этом направлении.

Новейшие  теории происхождения

Жизнь на Земле никогда  бы не зародилась, не будь у Земли  безжизненного спутника, Луны. Эта  новейшая теория происхождения жизни  на Земле принадлежит британскому  биологу Ричарду Лэтсу. 4 миллиона лет назад Луна находилась на гораздо более близкой к Земле орбите, и под влиянием ее притяжения приливы и отливы океанов были значительно сильнее, чем ныне. Это, в свою очередь, способствовало ежедневной смене концентрации соли в морской воде, что в конечном счете и привело к зарождению жизни, утверждает ученый. Если эта теория верна, то одновременно она исключает возможность жизни на Марсе. Дело в том, что самый большой спутник Марса, Фобос, слишком мал для того, чтобы порождать приливы и отливы, даже если на Марсе есть или была вода, что пока также не доказано, пишет газета "The Daily Telegraph".

Химики выдвинули новую  теорию происхождения жизни на Земле - по их мнению, ее зарождению вполне могли  поспособствовать древние вулканы. Газы, извергаемые вулканами, содержат много сульфида карбонила (химическая формула COS), а этот газ мог оказаться "клеем", с помощью которого склеились первые на Земле кирпичики жизни - органические молекулы.

На рисунке 5 изображена вулканическая  деятельность древних вулканов

Рисунок 5 -  Места вулканической  активности при извержениях, выделении  и выбросах газов из коры и магмы  на земную поверхность попадали жизненно важные вещества

Около 20 лет назад вокруг горячих вулканических источников, бьющих посреди океана, был обнаружен, существующий совершенно независимо от солнца, биоценоз. В начале 90-х годов, в Аризонской пустыне, группа исследователей сделала попытку создать искусственную, полностью изолированную от внешнего мира, биосферу.

В опытах, поставленных учеными, молекулы аминокислот в присутствии  сульфида карбонила склеивались друг с другом, образуя молекулы простейших белков. Скорость реакции была достаточно высокой, и никаких особых условий для ее осуществления не потребовалось. Если на заре земной истории концентрация сульфида карбонила, выбрасываемого огромным количеством вулканов, была значительной, именно он мог быть катализатором зарождения жизни на Земле.

Это предполагает и новая  теория Вектерцхойзера.  Теория бульона предполагает, что химические предшественники жизни соединились в среде, имеющей три измерения. Однако вещества, которые движутся свободно в воздухе или в воде, не остаются надолго вместе. На поверхности - другое дело. Первые реакции должны были произойти на поверхности, имеющей не три, а два измерения, рассуждал Вектерцхойзер.

Третье измерение завоевывали  уже организмы. Поверхность, где  формировались предшественники  жизни, должна была омываться водой. Все гипотезы о происхождении  жизни, пишет Вектерцхойзер в «Science», можно разделить на три класса в зависимости от того, какой элемент жизни у них решающий, с чего все началось. Одни считают, что с клеточных мембран. Но тогда им надо объяснить, как клеточная пища проходила сквозь мембрану.

Другие считают, что первыми  образовались нуклеиновые кислоты. Однако молекулы даже самых простых  нуклеиновых кислот - довольно сложные  соединения. Вектерцхойзер держится третьей точки зрения: жизнь началась с метаболизма, с обмена веществ. Другими словами, с повторяющегося цикла химических перемен. Это метаболизм «изобрел» и клеточную мембрану, и нуклеиновые кислоты, и весь генетический аппарат. Участвовали же в обмене веществ атомы углерода. В каждом цикле они соединялись по два (научно это называется циклом фиксации углерода).  Побочным, поначалу «бесполезным» продуктом этого метаболизма оказались аминокислоты - строительные блоки будущих белков. Тотчас же они стали собственными катализаторами - ускорителями тех химических перемен, которые по преимуществу направляли их собственный синтез. Нуклеиновые кислоты тоже появились как побочные продукты и тоже обнаружили способность к самокатализу. Позже, подобно пчелиной матке в улье, они взвалили на себя ответственность за воспроизведение всей системы. Рано или поздно все эти химические перемены привели к тому, что некоторым взаимосвязанным веществам удалось укрыться в мембране, которую они постепенно соорудили, и ускользнуть из плена двух измерений в сферу трех. Вот тогда-то и родилась первая клетка. Такова схема. Но всякая схема, всякая теория может рухнуть от соприкосновения с экспериментом. Теория же Вектерцхойзера не рухнула, а наоборот, получила экспериментальную поддержку, да еще в самом важном звене - цикле фиксаций углерода. Бактерии, эти древнейшие существа, до сих пор сохраняют редкую способность, родившуюся вместе с ними, - синтезировать уксусную кислоту, простое вещество, в своей активной форме охотно вступающее в химические реакции. В основе уксусной кислоты лежат как раз два атома углерода, соединенные в ее молекуле. Но может ли где-нибудь сегодня идти такой синтез? Да, может - в горячих серных газах, вырывающихся на большой глубине из подводных вулканов. Как известно, там при температуре в сотни градусов привольно обитают бактерии, питающиеся серой, и там же полным-полно сульфидов металла. Подводные вулканы - вот где родилась жизнь! Океан, конечно, но не тот. Не бульон, а сверхкипяток. Вектерцхойзер раздобыл вулканические газы и стал их помешивать в присутствии железных и никелевых сульфидов. Синтез уксусной кислоты не заставил себя ждать! А она - самый вероятный кандидат на метаболизм, породивший жизнь. Уксусная кислота активна - в этом все дело.