Происхождение и развитие жизни на Земле

Происхождение и развитие жизни на Земле

1.Определение понятия  жизни

Наблюдая окружающую природу, человек с незапамятных времен разделил ее на мир живых и неживых тел. К живым относятся люди, животные, растения; к неживым — камни, песок, вода, а также трупы животных и растений. Чем же отличаются живые тела от неживых? Конечно, даже неискушенный в науке человек легко подмечает то общее, что позволяет ему отнести к живым существам человека и дерево, кита и паучка, птицу и слизняка. И когда простой шлифовальщик стекол Левенгук впервые увидел под микроскопом микробов, он без колебания признал их живыми существами. Однако при попытке определить понятия «живое» и «неживое», как правило, испытывают немалые затруднения даже искушенные в науке люди.

Многие считают характерным свойством живого тела его способность к движению. После смерти оно утрачивает подвижность. Однако, если бы мы решились дать определение живому телу как телу, способному к движению, мы бы, конечно, ошиблись, так как, с одной стороны, известно множество несомненно живых тел, но неподвижных, например: губки, почти все растения. С другой стороны, известен ряд тел, способных к активному движению, но, несомненно, неживых, например все движущиеся машины и механизмы, созданные человеком. Таким образом, определить живое тело по одной способности его к движению нельзя.

Другим признаком, считающимся характерным для живых организмов, является их способность к дыханию. Дышат люди, животные и растения. После смерти дыхание исчезает. Однако этот критерий также недостаточен, так как, с одной стороны, известны организмы, совершенно не потребляющие кислорода (некоторые паразитические черви кишечника, многие простейшие и микробы), а с другой стороны, существуют неживые системы, активно поглощающие кислород и выделяющие углекислоту (горящая свеча, работающий бензиновый двигатель). Любая реакция окисления органических веществ сопровождается поглощением кислорода и выделением углекислого газа.

Еще один признак живых тел — это способность их к размножению. Действительно, способность к порождению себе подобных — очень характерное свойство живого. Однако и этот признак не может считаться постоянным и верным признаком жизни, так как, с одной стороны, существует ряд несомненно живых существ, не способных к воспроизведению потомства, например рабочие пчелы, мулы или кастрированные животные; с другой стороны, современная техника (техническая кибернетика) может конструировать и создавать машины, способные воспроизводить подобные себе машины.

Мы выбрали три признака и видим, что ни один из них не является вполне характерным для живых тел и не может быть использован в качестве определения жизни.

Как видим, охарактеризовать явление жизни представляет непростую задачу. Попытки найти самое существенное в жизни и дать ее определение делались в прошлом неоднократно. Среди авторов определений жизни были знаменитые ученые, философы и естествоиспытатели: Аристотель, Кант, Ламарк, Кювье и многие другие. Среди старых определений жизни нет, однако, ни одного сколько-нибудь удовлетворительного. Некоторые определения настолько туманны, что нет возможности постигнуть их смысл. Вот, например, одно из таких определений: «Жизнь есть душа мира, уравнение вселенной». Другие определения хотя и более понятны, но ничего не объясняют. Так, например, во французской энциклопедии давалось такое определение: «Жизнь есть противоположность смерти».

Основоположник научного коммунизма — Фридрих Энгельс в книге «Анти-Дюринг» указывает на успехи, достигнутые естествознанием и дает следующее ставшее классическим определение жизни: «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел». Как видим, Энгельс не ограничивается одним лишь указанием на признаки жизни, но он подчеркивает самые существенные ее черты. Определение Энгельса состоит из двух частей. В первой указывается на характерное для живых тел, отличающее их от неживых тел, содержание в них белка. Белки являются главной и постоянной составной частью всех живых систем — от самых примитивных до самых сложных. «Повсюду, где мы встречаем жизнь, — пишет Энгельс, — мы находим, что она связана с каким-либо белковым телом, и повсюду, где мы встречаем какое-либо белковое тело, не находящееся в процессе разложения, мы без исключения встречаем и явления жизни».

Но белки — вещества с легко изменяемой структурой. Для живого состояния характерно присутствие не любого белка (труп состоит также из белка), но лишь белка, сохраняющего свою уникальную конфигурацию, свою первичную, вторичную и третичную структуры, с присущими ему природными свойствами. При умирании организма белки его утрачивают нативную структуру, макромолекулы развертываются и белки переходят в денатурированное состояние. Для поддержания белка в нативной, присущей живому состоянию форме необходимо наличие условий, при которых может быть устойчивой нативная форма белка. Во второй части определения Энгельс и говорит о способе существования белка. Этот способ — обмен веществ, при помощи которого создаются и поддерживаются условия для сохранения белка в нативном состоянии в живой системе и выполнения присущих ему функций. Определение жизни, сформулированное Энгельсом, прекрасное по форме и глубокое по содержанию, оказало существенное влияние на развитие исследований белка как основного субстрата жизни и до сих пор пользуется широким признанием.

После опубликования «Анти-Дюринга» прошло уже более 80 лет. За этот период в разных областях естествознания были сделаны крупные открытия. Значительны и успехи науки о жизни. Были открыты нуклеиновые кислоты, открыт механизм их редупликации, выяснено их значение в передаче наследственных свойств. Возникли новые биологические науки: биофизика и биохимия, бионика и молекулярная биология. В связи с развитием кибернетики получило значительное распространение моделирование жизненных явлений — конструирование и построение аппаратов, имитирующих разные стороны жизненного процесса. Были осуществлены, наконец, полеты в космос, и стала реальностью возможность обнаружения новых форм жизни на других планетах. Все эти обстоятельства, естественно, стимулировали исследователей на поиски новых определений жизни, в которых отразились бы новейшие достижения биологии.

В новых определениях жизни, прежде всего, нашли отражение результаты проникновения в биологию точных наук: физики, математики, химии, кибернетики. Так, например, почти во всех новых определениях жизни одним из первых пунктов является указание на то, что живое тело — это открытая система. Понятие «открытая система» заимствовано из физики. Под открытыми системами понимают динамические (т. е. не находящиеся в покое) системы, устойчивые при условии непрерывного доступа к ним энергии и материи извне. Наглядным примером открытой системы может служить резервуар, постоянство уровня воды в котором достигается непрерывным поступлением воды из крана и непрерывным выведением воды в сток. Открытые системы — это большинство двигателей: автомашины, паровые машины, электровозы. Все они действуют при условии непрерывного поступления горючего или электроэнергии извне. Живое тело представляет собой, несомненно, также открытую систему, так как оно существует, пока в него поступает энергия и материя в виде пищи из внешней среды, а отбросы выделяются в окружающую среду. Так как любое живое тело — от простейшего до самого сложного — открытая система, то, очевидно, разумно ввести эту характеристику в определение жизни.

Второе универсальное свойство живых тел — это их способность к авторегуляции, способность автоматически сохранять и поддерживать постоянство своего состава и свойства.

Третья особенность живых тел — это специфика их химического состава. Кроме белка, значение которого для жизни уже выдвинул Энгельс, существенной и постоянной составной частью живых тел служат нуклеиновые кислоты. В определении жизни поэтому, кроме указания на роль белка в построении живых систем, подчеркивается также значение и нуклеиновых кислот. Приведем одно из современных определений жизни, постарайтесь его объяснить.

«Живые тела, существующие на Земле, представляют собою открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот».

Обратите внимание на оговорку, сделанную автором этого определения: «Живые тела, существующие на Земле…» Очевидно, не исключается возможность, что на других планетах могут быть обнаружены живые тела, существенно отличающиеся от земных.

2. Отсутствие жизни на  Земле в отдаленный период  развития планеты

В первый период существования Земли на ней не было и не могло быть жизни. Как известно, жизнь возможна при наличии определенных условий. Одним из таких условий является температура среды. Подавляющее большинство организмов способно активно существовать в сравнительно узкой зоне температур, примерно от —20 до +50°С. Отклонения в обе стороны от этой зоны опасны для жизни.

Между тем, по данным современной космологии, температура планет, в том числе и Земли, в начальный период их существования достигала миллиона и больше градусов. Конечно, представить себе возможность существования жизни в таких условиях немыслимо.

Можно, таким образом, утверждать, что Земля в начальный период своего существования была мертва и бесплодна. Она была абсолютно стерильна. Тем не менее, на стерильной Земле возникла жизнь, появились первые организмы со всеми атрибутами жизни: с обменом веществ, раздражимостью, способностью к размножению, к эволюции и т. д. Можно предполагать, что это величайшее событие в истории Земли — возникновение на ней жизни — произошло примерно 2—2,5 млрд. лет назад.

Как выглядел первенец жизни, неизвестно. Явился ли он в одном экземпляре и затем размножился, или в разных местах Земли первые существа в то время возникали массами, неведомо. Возник ли живой организм на Земле один раз или на протяжении длинной истории Земли на ней не раз еще появлялись организмы, давшие начало разным фаунам и флорам, — новая загадка. Все эти вопросы остаются пока без ответа и ждут своих исследователей. Основная сложность проблемы происхождения жизни на Земле состоит, однако, не в решении подобных вопросов. Сложность и исключительный интерес проблемы состоят в том, что, по данным современной биологии, любое живое существо — от самого примитивного до самого сложного и высокоорганизованного — рождается только от своих родителей, т. е. от живых же существ. Появление же первобытного организма произошло явно каким-то иным способом: он возник, как выше сказано, на стерильной Земле, до него ничего живого на Земле еще не было. Как же это могло произойти?

Следует учитывать, что на этот вопрос исчерпывающего ответа еще нет. Несмотря на замечательные успехи биологических, химических и физических наук, несмотря на подробное и всестороннее знание структурных биохимических и функциональных основ жизненного процесса, наука еще не располагает данными, чтобы решить этот вопрос точно и убедительно.

3. Донаучные представления  о происхождении жизни

В античное время и в средние века уровень знаний по биологии был очень низким. Серьезные выводы делались на основании поверхностных и недостоверных наблюдений. Широким признанием и распространением пользовалось учение о зарождении живых существ из неживого материала. В то время были широко распространены взгляды, что лягушки в пруде возникают из ила или тины, черви — из навоза или гниющего мяса, а мухи, тараканы, клопы — из грязи и отбросов. Следует при этом подчеркнуть, что подобные представления царили в головах не только простых, необразованных людей, но они выдвигались и защищались учеными, что способствовало распространению и укреплению этих взглядов. Так, например, видный фламандский ученый ван Гельмонт (1575—1640) в своей книге указывает на возможность зарождения мышей из грязного белья. Другой крупный ученый той же эпохи — врач-алхимик Парацельс (1485— 1540) опубликовал способ искусственного приготовления человека (гомункулюса).

Нам сейчас кажутся весьма удивительными и даже забавными подобные идеи, но в то время к ним относились с полным доверием. Для того чтобы понять это, нужно представить себе ту эпоху, ее обстановку, ее философию. Это было время расцвета религии. Для верующего человека вопрос о происхождении жизни решается просто: она является божественным творением, т. е. чудом. Наряду с религией в эпоху средневековья получили значительное развитие ложные «науки»: алхимия, астрология, черная магия. Люди верили в существование «камня мудрецов» (философского камня), обладание которым будто бы наделяет человека безграничным могуществом, способностью превращать дешевые металлы в золото, воду — в вино, старость — в молодость. Законы природы не были известны. Считалось принципиально возможным осуществление любого самого фантастического замысла, для чего, как полагали, требовалось только знание рецепта и педантичное выполнение всех предписаний.

Не следует думать, что ложные представления в биологии — удел далекого средневековья. Всего 150 лет назад в Петербурге вышло четырехтомное сочинение, в котором описывалось, что жабы возникают из гниющих уток, скорпионы — из порошка высушенных скорпионов, раки — из золы сожженных раков. Не забудем, что такие «знания» распространялись в то время, когда давно уже было открыто дифференциальное и интегральное исчисление в математике, законы механики в физике, основные законы в химии. Как видно, развитие биологии еще очень долго и сильно отставало от развития физико-математических, точных наук. Видно также, что ложные представления, возникшие ряд столетий назад, оказались очень живучими. В связи с этим следует высоко оценить усилия отдельных ученых, сумевших противопоставить этому морю суеверия и невежества факты истинной науки.