Вопрос о происхождении жизни интересен не только сам по себе, но и тесной связью с проблемой отличия живого от неживого, а также с проблемой эволюции жизни. В чем сущность живого? Как механизмы эволюции действовали при зарождении жизни?
Итак, что такое живое и чем оно отличается от неживого? Есть несколько фундаментальных различий в вещественном, структурном и функциональном планах. В вещественном плане в состав живого обязательно входят высокоупорядоченные макромолекулярные органические соединения, называемые биополимерами, — белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В структурном плане живое отличается от неживого клеточным строением. В функциональном плане для живых тел характерно воспроизводство самих себя. Устойчивость и воспроизведение есть и в неживых системах, но в живых телах имеет место процесс самовоспроизведения. Не что-то воспроизводит их, а они сами воспроизводят себя. Это принципиально новый момент.
Живые тела отличаются от неживых также наличием обмена веществ, способностью к росту и развитию, активной регуляцией своих состава и функций, способностью к движению, раздражимостью, приспособленностью к среде и т. д. Неотъемлемым свойством живого является деятельность, активность. Все живые существа должны действовать, в противном случае они погибают.
Однако строго научное разграничение живого и неживого встречает определенные трудности. Имеются переходные формы от нежизни к жизни. Так, например, вирусы, находящиеся вне клеток другого организма, не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть наследственный аппарат, но отсутствуют основные, необходимые для обмена веществ, ферменты, и поэтому они могут расти и размножаться лишь проникая в клетки организма-хозяина и используя его ферментные системы. В зависимости от того, какой признак считают самым важным, вирусы относят или не относят к живым системам.
Существует пять концепций возникновения жизни:
1) креационизм — божественное сотворение живого;
2) концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества (ее придерживался еще Аристотель, который считал, что живое может возникать и в результате разложения почвы);
3) концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;
4) концепция панспермии — внеземного происхождения жизни;
5) концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.
Первая концепция является религиозной и к науке прямого отношения не имеет. Вторую опроверг изучавший деятельность бактерий французский микробиолог XIX в. Л. Пастер, известный нам по названию его опытов, вошедших в современную технологию, — «пастеризация». Третья из-за своей умозрительности всегда имела немного сторонников.
К началу XX в. в науке господствовали две последние концепции. Концепция панспермии, согласно которой жизнь была занесена на Землю извне, опиралась на обнаружение при изучении метеоритов и комет «предшественников живого» — органических соединений, которые (возможно) и сыграли роль «семян».
У концепции появления жизни на Земле в историческом прошлом два варианта. Согласно одному происхождение жизни — результат случайного образования единичной «живой молекулы», в строении которой был заложен весь план дальнейшего развития живого.
По мнению французского биолога Ж. Моно, жизнь не следует из законов физики, но совместима с ними; жизнь — событие, исключительность которого необходимо сознавать. Согласно другой точке зрения, происхождение жизни — результат закономерной эволюции материи.
В XX в. появились первые научные модели происхождения жизни. В 1924 г. в книге А.И. Опарина «Происхождение жизни» была впервые сформулирована естественно-научная концепция, согласно которой возникновение жизни — результат длительной эволюции на Земле — сначала химической, а затем биохимической. Эта концепция получила наибольшее признание в научной среде.
Можно выделить несколько этапов развития живых систем, начиная с самых простейших и затем следуя по пути постепенного усложнения. В вещественном плане для становления жизни нужен прежде всего углерод. Жизнь на Земле основана на этом элементе, хотя в принципе можно предположить существование жизни и на кремниевой основе. Возможно, где-то во Вселенной существует и «кремниевая цивилизация», но на Земле основой жизни является углерод.
Чем это обусловлено? Атомы углерода вырабатываются в недрах больших звезд в необходимом для образования жизни количестве. Углерод способен создавать несколько десятков миллионов подвижных, низкоэлектропроводных, студенистых, насыщенных водой, длинных, скрученных цепеобразных структур. Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором, серой и железом обладают замечательными каталитическими, строительными, энергетическими, информационными и иными свойствами.
Кислород, водород и азот наряду с углеродом можно отнести к «кирпичикам» живого. Клетка состоит на 70 % из кислорода, на 17 % — из углерода, на 10 % — из водорода и на 3 % — из азота. Все «кирпичики» живого принадлежат к наиболее устойчивым и распространенным во Вселенной химическим элементам. Они легко соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малым атомным весом. Их соединения легко растворяются в воде.
По радиоастрономическим данным органические вещества существовали не только до появления жизни, но и до формирования нашей планеты. Следовательно, органические вещества абиогенного происхождения присутствовали на Земле уже при ее образовании.
При образовании Земли из космической пыли (частиц железа и силикатов — веществ, в состав которых входит кремний) и газа на внешних участках Солнечной системы газы могли конденсироваться. Органические соединения могли синтезироваться и на поверхности пылинок.
Химические и палеонтологические исследования древнейших докембрийских отложений и особенно многочисленные модельные эксперименты, воспроизводящие условия, которые господствовали на поверхности первобытной Земли, позволяют понять, как в этих условиях происходило образование все более сложных органических веществ.
Жизнь возможна только при определенных физических и химических условиях (при определенной температуре, наличии воды, солей и т. д.). Прекращение жизненных процессов, например при высушивании семян или глубоком замораживании мелких организмов, не ведет к потере жизнеспособности. Если структура организма сохраняется неповрежденной, при возвращении к нормальным условиям жизненные процессы восстанавливаются.
Также и для возникновения жизни необходимы определенные показатели температуры, влажности, давления, уровня радиации, определенная направленность развития Вселенной и определенное время. Взаимное удаление галактик приводит к тому, что их электромагнитное излучение доходит до Земли сильно ослабленным. Если бы галактики сближались, то плотность радиации во Вселенной была бы столь велика, что жизнь не могла бы существовать. Углерод синтезирован в звездах-гигантах несколько миллиардов лет назад. Если бы возраст Вселенной был меньше, то жизнь также не могла бы возникнуть. К тому же планеты должны иметь определенную массу для того, чтобы удержать атмосферу. Список этих условий может быть продолжен.
Наша планета — «золотая середина» в Солнечной системе. Она наиболее подходит для зарождения жизни. Возраст Земли — примерно 4–5 млрд. лет. Температура ее поверхности в начальный период составляла 4000–8000 °C. По мере того как Земля остывала, углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовывали земную кору.
Атмосфера раньше была совершенно иной. Легкие газы — водород, гелий, азот, кислород — уходили из атмосферы, так как гравитационное поле нашей еще недостаточно плотной планеты не могло их удержать. Простые же соединения, содержащие эти элементы, удерживались.
Первичная атмосфера содержала водород и соединения углерода (метан) и азота (аммиак). Отсутствие в атмосфере кислорода было, вероятно, необходимым условием возникновения жизни: лабораторные опыты показывают, что органические вещества гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере, богатой кислородом. О том, что атмосфера была именно такой, свидетельствуют самые древние горные породы на Земле.
Существуют разные точки зрения на время возникновения жизни на Земле. По мнению В.И. Вернадского, жизнь появилась одновременно с образованием Земли. А.И. Опарин считал, что периоду развития жизни предшествовал длительный период химической эволюции Земли, во время которого образовались сложные органические вещества и протоклетки. Возникновение последних положило начало биохимической эволюции.
Известны три способа синтеза природных органических веществ. Во-первых, углерод и азот вещества могли возникать в расплавленных глубинах Земли и выноситься на поверхность при вулканической деятельности, попадая далее в океан.
Во-вторых, как полагал А.И. Опарин, органические вещества могли создаваться и в океане из более простых соединений. Энергию для этих реакций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнечная радиация (главным образом ультрафиолетовая), попадавшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. Разнообразие находящихся в океанах простых соединений, огромная площадь поверхности Земли, доступность энергии и значительные временные масштабы позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался тот «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь.
Наконец, органические соединения могли образоваться во Вселенной из неорганического космического «сырья».
Для построения любого сложного органического соединения, входящего в состав живых тел, необходим определенный набор