История науки
Как произошла жизнь на Земле*
ГИНДИЛИС Л.М.,
кандидат физико-математических наук ГАИШ МГУ
В статье дан обзор представлений о происхождении жизни на Земле от античности до наших дней. Прослеживается развитие гипотезы самозарождения, раскрываются современные теории, балансирующие между панспермией и предбиологической химической эволюцией.
ОТ ТЕОРИИ САМОЗАРОЖДЕНИЯ ДО ЭВОЛЮЦИИ ЖИЗНИ
Научные гипотезы о происхождении жизни на Земле менялись с течением времени. Начиная с античности господствовало мнение о непрерывном самопроизвольном возникновении живых организмов из неживой материи -теория самозарождения жизни. Считалось, что черви, насекомые, жабы и другие существа появляются из грязи и гниющих продуктов, а мыши рождаются из пшеничных зерен. Такое мнение не было умозрительным, оно основы-
валось на наблюдениях, но неправильно истолкованных, и просуществовало около 2 тыс. лет, со времен Аристотеля вплоть до эпохи Возрождения. Любопытно, что в Средние века идею самозарождения поддерживал и святой Фома Аквинский (1225-1274). Он полагал, что в этом процессе участвуют ангелы. Несостоятельность гипотезы самозарождения была доказана в опытах Франческо Реди (1626-1697), который установил, что живые организмы в гниющих продуктах рождаются из оплодотворенных яиц.
; По материалам доклада на междисциплинарном коллоквиуме "Космические факторы эволюции биосферы и геосферы". Москва, ГАИШ МГУ, 21-23 мая 2014 г.
Луи Пастер в лаборатории. Художник А. Эдельфельт. 1877г.
Вновь эта идея возродилась в последней четверти XVII в. после открытия микроорганизмов. Считалось, что микроорганизмы - промежуточное звено между живой и неживой природой и могут самопроизвольно рождаться из неживого. Опыты с нагреванием питательной среды показали, что уничтоженные при кипячении микроорганизмы через несколько дней возрождались вновь. Обнаружить методическую ошибку в этих опытах удалось не сразу. Дискуссия о возможности самозарождения жизни растянулась более чем на столетие. В ней принимали участие Ж.Л. Гей-Люссак, Г. Гельмгольц, Дж. Тиндаль и другие известные ученые. И только эксперименты, блестяще выполненные в 1859-1862 гг. французским микробиологом Луи Пастером, поставили точку в вековом споре о самозарождении. Л. Пастер объяснил причину, вызывающую рост микроорганизмов в стерильном бульоне: ею яв-
ляются микробы, переносимые частицами пыли. Тем самым он доказал, что в мире микробов, как и среди высших организмов, любая форма жизни ведет свое происхождение от родительской формы.
Как же появились первые организмы, как возникла жизнь на Земле? Если оставаться в рамках научной методологии, исключая акт Творения, то приходится признать, что все многообразие живых организмов на Земле появилось в процессе эволюции из неких первичных простейших форм, скажем, одноклеточных прокариотов. Исследование земных пород обнаруживает, что чем дальше мы продвигаемся в глубь геологической истории, тем более простые организмы встречаются в земных породах. Древнейшие породы содержат лишь следы простейших микроорганизмов. По современным данным, жизнь на Земле появилась вскоре после ее образования как планетного тела, вероятно в первые сотни миллионов лет ее развития (от 4,1 до 3,9 млрд лет назад). Но есть данные о том, что, когда закончился процесс формирования нашей планеты, на ней уже присутствовала простейшая бактериальная жизнь. Тогда встает вопрос: жизнь на Земле развилась в процессе эволюции из простейших форм, а как появились эти простейшие формы? Существуют три возможности:
- случайное происхождение жизнеспособной формы (вероятностное чудо);
- простейшие организмы были занесены на Землю из космоса (гипотеза панспермии);
- они сформировались на ранней Земле в процессе предбиологической химической эволюции.
Могут иметь место и сочетания этих возможностей.
ПРЕДБИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ НА ЗЕМЛЕ
Для начала химической эволюции необходимы органические соединения и вода. Вода на Земле появилась около 4 млрд лет назад. Рассматриваются различные механизмы появле-
Возможный вид поверхности одной из экзопланет, похожих на Землю. Рисунок А. Корец-кого.
ния воды на Земле, весьма популярная точка зрения - она была доставлена на Землю кометами. Недавно выдвинута гипотеза, что источником воды может быть и космическая пыль. В статье Дж. Брадлея с соавторами (2014) сообщается, что в частицах межпланетной пыли обнаружены пузырьки воды, образованные под действием солнечного ветра. При взаимодействии солнечного ветра с силикатами, входящими в состав пыли, высвобождаются атомы кислорода, которые немедленно вступают в реакцию с ионами водорода Н+, образуя молекулы воды. Межпланетная пыль непрерывно выпадает на поверхность Земли и может нести с собою молекулы воды.
Что касается органики, то, как показали эксперименты, начиная с классических опытов Г. Юри и его аспирантки С. Миллер, органические соединения в первобытной атмосфере Земли могли легко сформироваться под дей-
ствием УФ-излучения, ударных волн, радиоактивного распада и других источников энергии. В этих экспериментах были получены достаточно сложные биологически активные соединения, такие как аминокислоты, сахара и азотистые основания РНК. Другим источником органических соединений могут быть подводные вулканы, на что впервые обратил внимание доктор физико-математических наук Л.М. Мухин (1933-2009). Еще одним источником могут быть кометы, метеориты и, как отмечается в упомянутой работе Дж. Брадлея, космическая пыль. Подобные процессы должны происходить не только на Земле и вообще в Солнечной системе, но и в планетных системах других звезд.
Органические вещества в изобилии имеются в межзвездной среде, они входят в состав комет и некоторых типов метеоритов. Таким образом, формирование мономеров - основных
строительных блоков биохимии, из которых строятся макромолекулы, - не представляет собою проблемы. Что касается следующих шагов предбиоло-гической эволюции, то здесь пока нет ясности. И.С. Шкловский в своей знаменитой книге "Вселенная, жизнь, разум" (последнее издание в 2006 г.) выделяет следующие этапы в процессе эволюции жизни:
- формирование малых молекул -мономеров;
- образование полимеров;
- появление каталитических функций;
- самосборка молекулы;
- возникновение мембран и докле-точная организация;
- возникновение механизма наследственности;
- образование живой клетки.
Сейчас достаточно ясен только первый этап и, в какой-то мере, ученые приблизились к пониманию второго, наметился прогресс в понимании, как возникли каталитические функции. Прочее остается пока неясным.
Одна из серьезных проблем - нарушение симметрии, гомохиральность. Речь идет о пространственной асимметрии живого вещества. Некоторые органические молекулы (в том числе молекулы аминокислот) могут существовать в двух формах, которые отличаются ориентацией отдельных группировок атомов. При этом группировка одной формы - зеркальное отображение другой, они получили название "левая" и "правая" форма. Существуют "левые" и "правые" аминокислоты. По своим химическим свойствам они совершенно идентичны, но пространственно их невозможно совместить. При синтезе белков в лаборатории всегда в равных количествах присутствуют обе формы, но белки, входящие в состав живых организмов на Земле, относятся только к "левой". Хиральность (го-мохиральность) - важнейший признак живого вещества, но как она возникает - неизвестно. Любая теория происхождения жизни должна объяснить хи-ральность. В последние годы важные результаты получил доктор физико-математических наук Г.Г. Манагадзе
(ИКИ РАН). В экспериментах с ударниками он показал, как может возникнуть хиральность в плазменном факеле ударной волны при метеоритном ударе. Так как некоторые метеориты несут с собой воду и простейшую органику, то здесь открывается возможность для предбиологической эволюции.
Современные представления о возникновении жизни радикально отличаются от тех, которые имели место даже пару десятилетий назад. Первое отличие состоит в представлении о том, когда возникла жизнь на Земле. В середине прошлого века господствовало представление, что после сформирования Земли она в течение 2 млрд лет оставалась безжизненной. Считалось, что в течение этого времени на Земле шел процесс предбиологической химической эволюции и лишь спустя 2 млрд лет на Земле появились первые микроорганизмы. Отсюда возникало представление, что если на других планетах этот процесс занял более длительное в несколько раз время, то сложные организмы не успели на них возникнуть, и Земля в этом плане уникальна. Однако более поздние исследования показали, что одноклеточные организмы появились на Земле около 4 млрд лет тому назад, сразу после образования Земли как самостоятельного планетного тела (см., например, "Проблемы происхождения жизни". М.: ПИН РАН, 2009). Другое отличие состоит в том, где возникла жизнь. В середине прошлого века господствовало представление, что жизнь возникла в первобытном океане, теперь считается, что она возникала в небольших водоемах. Важным элементом современных представлений о происхождении жизни является гипотеза о существовании древнего мира РНК как возможного предшественника жизни на Земле.
МИР РНК
Как отмечает академик А.С. Спирин, в течение длительного периода господствовало мнение о том, что биохимический катализ осуществляют только белки-ферменты. Поэтому все теории происхождения жизни основа-
Псевдоморфозы по бактериальным нитям и цианобактериальным чехлам, обнаруженные в метеорите Оргей. По данным А.Ю. Розанова (Проблемы происхождения жизни. М.: ПИН РАН, 2009, с. 161).
ны на том, что первичными в данном процессе являются белки, поскольку без них невозможен биохимический метаболизм. Но в 1980-х гг. были открыты каталитические функции РНК, что перевернуло все прежние представления об исключительной роли белков не только в происхождении жизни, но и в понимании самого феномена жизни. Обнаружены и другие функции РНК, в том числе способность, подобно белкам, создавать пространственные структуры. Таким образом, оказалось, что РНК - это уникальные биополимеры, которым свойс
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.