Проблема происхождения и сущности жизни в современной науке и философии
Вопрос о происхождении жизни - один из самых трудных в современном естествознании, в первую очередь потому, что мы сегодня не можем воспроизвести процессы возникновения жизни такими, какими они были миллиарды лет назад. Ведь наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь моделью, приближением, безусловно, лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на земле. Существенный вклад в решение вопроса о происхождении жизни внесли биохимик А.И. Опарин (1894-1980), английские естество-испытатели Д. Бернал (1901-1971), Б.С. Холдейн (1892-1964) и др.
Первый шаг на пути к возникновению жизни заключается в образовании органических веществ из неорганического космического сырья. Такой процесс протекал при определенной температуре, давлении, влажности, радиации и т. д. На первой стадии данного процесса, вероятно, начал действовать предварительный отбор соединений, из которых позднее появилась организмы. Из множества образовавшихся веществ сохранились лишь наиболее устойчивые и способные к дальнейшему усложнению.
Для построения любого сложного органического соединения живых организмов нужен небольшой набор слагающих блоков - мономеров (низкомолекулярных соединений). Например, имея всего 29 сравнительно несложных мономеров, можно описать биохимическое строение любого живого организма.
Такое сравнительно небольшое число соединений - результат действия в течение почти миллиарда лет естественного отбора, выделившего их из огромного количества некогда возникших веществ и определившего их пригодность для возникновения живого. Можно сказать, что эволюции организмов предшествовала очень длительная химическая эволюция.
Соединения, возникшие на основе углерода, образовали «первичный бульон» гидросферы. Существует научная гипотеза, согласно которой, содержащие углерод и азот вещества возникали в расплавленных глубинах Земли и выносились на поверхность при вулканической деятельности. Разливаясь водой, они могли попасть в океан, где участвовали в образовании «первичного бульона».
Второй важнейший шаг в образовании живых организмов заключался в том, что из множества отдельных молекул органических веществ, существовавших в первичном океане Земли, возникли упорядоченные сложные вещества - биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты. Они уже обладали важнейшим биологическим свойством - воспроизводить аналогичные себе молекулы.
Формирование биополимеров происходило в первичном океане Земли. Для того, чтобы между соединениями могли произойти реакции, ведущие к образованию сложных биологически важных молекул, концентрация органических соединений должна быть сравнительно высокой. Такая концентрация веществ могла образоваться в результате осаждения соединений на различных минеральных частиц, например, на частичках глины или гидроокиси железа, образующих ил прогреваемого солнцем мелководья. Органические вещества могли образовать на поверхности океана тонкую плёнку, которую ветер и волны гнали к берегу, где они собирались в толстые слои с высокой концентрацией органических веществ.
Свободный кислород появился значительно позже, в результате деятельности первых фотосинтетиков - водорослей, а затем и наземных растений. Бескислородная среда облегчала, по-видимому, синтез биополимеров из неорганических соединений; кислород, как сильный окислитель, разрушил бы возникающие молекулы.
Отдельные несложные органические соединения стали объединяться в крупные биологические молекулы. Образовались ферменты - белковые катализаторы, способствующие возникновению или распаду молекул. В результате деятельности первичных ферментов возникли одни из важнейших органических соединений - нуклеиновые кислоты. Мономеры в нуклеиновых кислотах расположены так, что несут определённую информацию о синтезе белков и обмене с внешней средой веществом и энергией. Кроме того, молекулы нуклеиновых кислот пробрели свойство самовоспроизведения себе подобных. Можно считать, что с этого момента на Земле возникла жизнь.
Имелось несколько фаз становления жизни.
Фаза 1 - «от атома до молекулы». Фаза сводится к эволюции химических веществ, в процессе которой появились всё более и более сложные молекулярные структуры. Из воды, метана, аммиака формировались органические соединения, служащие строительным материалом преджизненных форм. Уже на этой фазе могли появиться такие соединения веществ, которые обладали элементарной способностью ускорять ход химических превращений и переносить энергию.
Фаза 2 - «от отдельных молекул к полимерным объединениям». Полимеры, крупные органические образования, складывались из мономеров - элементарных органических молекул. По Опарину - Холдейну, шёл процесс образования «первичного бульона» из полимеров. По-видимому, это могло происходить на морском мелководье, после отливов, когда шли интенсивные испарения, сопровождавшиеся выбросами тепловой энергии. Здесь формировались вещества, подобные белкам с присущими им катализирующими свойствами, ускорявшими ход химических превращений.
Фаза 3 - «от полимеров к агрегатам простейших клеточных организмов». На этой заключительной фазе зарождения жизни полимерные структуры объединяются в крупные агрегатные формы - длинные цепочки полимеров. Чтобы такие агрегатные формы могли превратиться в клетки, необходимо, чтобы они обладали тремя важнейшими свойствами (свойства белковой мембраны, отделяющей клетку от внешней среды и опосредствующей обмен веществ между ними; свойства белка, отвечающего за обмен веществ между организмом и средой, а также выполняющего структурообразующую и катализирующую функции; свойства нуклеиновых кислот, содержащих информацию для синтеза белков). Потребовались десятки миллионов лет химической эволюции примитивных молекулярных агрегатов, прежде чем они превратились в простейшие организмы.
Длительная химическая эволюция веществ от атомарных форм через молекулярные и макромолекулярные структуры к простейшим одноклеточным организмам сопровождалась отбором таких комбинаций, которые были способны существовать не разрушаясь. Агрегатные состояния молекулярных структур отличались большей стабильностью и длительностью своего существования благодаря катализирующим качествам белковых веществ. Химические реакции, протекающие в клеточных агрегатах, обеспечивали формирование в них функций энергетики дыхания и перемещения, функций воспроизведения полимеров, функций накопления веществ, поступавших из внешней среды, функций превращения одних веществ в функции других, т. е. всех тех функций, которые называются метаболическими функциями клетки.
Первые простейшие организмы жили и умирали в «первичном океаническом бульоне». Остатки этих тел обнаружены археологами и палеонтологами в древнейших отложениях земной коры, возраст которых исчисляются 3-3,5 млрд. лет. С помощью электронного микроскопа можно усмотреть их сходство с бактериями. Поначалу одноклеточные организмы питались исключительно органическими веществами. В дальнейшем они приобретают способность к фотосинтезу, используют водород для восстановительных реакций и перерабатывают углекислый газ в углеводороды. Внутренние химические реакции, происходящие в фотосинтезирующих организмах, способствовали превращению неорганических веществ в органические вещества. С этого момента началось накопление кислорода в атмосфере и прогрессирующая интенсификация эволюции органических веществ.
Центральным моментом биохимической эволюции остаётся приобретение живыми формами способности к воспроизведению молекул. Механизм молекулярной репликации, т. е. воспроизведение молекул, лежит в основе эволюционного процесса выживания наиболее приспособленных живых организмов. Если молекула обладала способностью к репликации, то она могла создавать свои собственные копии. «Первичный бульон», в котором находились молекулы- репликаторы, представлял собой хаотическое движение простейших живых тел. Образование сложных агрегатов зависело от случайного соединения элементов, что порождало их различные типы. Отличия одних сложных молекулярных тел от других явились следствием ошибок при их копировании в процессах репликации. Ошибки копирования при репликации молекул повторялись, что могло приводить к появлению нескольких типов молекул от одного предка. Одни молекулы были более устойчивы, чем другие. Они отличались большей стабильностью и продолжительностью жизни в «первичном бульоне».
Еще одно свойство репликации молекул обнаружилось в скорости размножения, или «плодовитости». Среди молекул-репликаторов «первичного бульона» были те, которые характеризовались более высокой плодовитостью. К моменту экспансии распространения жизни по земной поверхности и, собственно, биологической эволюции простейшие организмы «первичного бульона» обладали определённой степенью своего разнообразия. Одни из них могли жить дольше, а другие были более плодовиты.
Насколько процессы зарождения жизни можно считать необходимыми или случайными? Этот вопрос, конечно же, не имеет однозначного ответа. Тот факт, что наша Земля является пока единственной планетой, на которой зародилась и существует жизнь, несомненно, относится к числу уникальных, случайных событий. Приоритет случайности просматривается и в гипотезе о том, что жизнь занесена на землю из Космоса, с других планет (гипотеза панспермии). Характер этой гипотезы не позволяет получить однозначный ответ на вопрос о возможности занесения жизни из Космоса на Землю. По- видимому, нельзя найти аргументов как исключающих возможность такого события, так и подтверждающих его. Вместе с тем само по себе обсуждение гипотезы панспермии не устраняет вопрос о земных условиях жизни. Случайность зарождения жизни на Земле сочетается с совокупностью условий, действие которых обладает свойствами необходимыми и достаточными. Во всяком случае, только взаимодействие таких факторов, как время, температура, отсутствие кислорода в земной атмосфере, наличие химических веществ и источников энергии, с необходимостью обусловило возможность появления живых организмов.
За один миллиард лет эволюции эукариотический тип клеточной организации дал широкое разнообразие живых форм от одноклеточных простейших до млекопитающих и человека.
Существование клетки зависит от выполнения ею ряда обязательных условий: отграничение от окружающей среды и обмен веществ с этой средой.
На основе биохимических механизмов внутри клетки происходят реакции диссимиляции и ассимиляции, образуются химические соединения для выполнения тех или иных функций. В процессе жизнедеятельности возникают вещества, которые подлежат удалению. Приобретение клеткой способности к активному движению облегчает задачу поиска пищи и избегания опасных ситуаций. Сохранение жизни во времени зависит от способности клеток к делению. В ходе эволюции совершенствование жизненно важных функций происходит путем их дифференциации, т. е. обособления. Нередко такое обособление связано с возникновением специальных структур.
Появление закономерности в виде разделения и специализации функций и структур представляет собой одно из всеобщих свойств жизни. Возникновение среди живых форм многоклеточных организмов, с которыми связано прогрессивное направление эволюции, является логическим развитием этого свойства. Перевод к многочисленности привёл к появлению полового размножения, выделению эмбрионального периода. В процессе исторического развития на планете возникло не менее 35 типов многоклеточных организмов. Из них до сих пор существуют 26, будучи представленными более чем 2 млн. видов.