может ли с точки зрения современной науки процесс возникновения жизни происходить на земле
Все за сегодня
Политика
Экономика
Наука
Война и ВПК
Общество
ИноБлоги
Подкасты
Мультимедиа
Разгадать загадку Бытия: сотворение мира с точки зрения современной науки
На протяжении многих столетий вера и разум по-своему объясняли возникновение мироздания. Теперь наука ближе, чем когда-либо, подобралась к решению этой загадки.
Подобные вопросы — о происхождении времени и элементов, жизни и человечества — являются фундаментальными вопросами физики, астрономии, биологии и, в некотором смысле, самой религии. Нас интересует происхождение всего сущего, начиная от космоса и материков и кончая простейшими организмами и философией.
Наука пытается понять, как все это возникло. Но чем настойчивее она ищет ответ, тем более расплывчатый вид обретают ее догадки. Однако, по мнению многих ученых мужей, такая расплывчатость придает больше радости, получаемой от ментального путешествия. Процитирую сэра Томаса Брауна, который в своем размышлении 1658 года о человеческой смертности «Погребение в урнах», пишет: «О том, какую песню пели сирены, или же, какое имя взял себе Ахилл, спрятавшись среди женщин, — об этих странных вопросах гадать не воспрещается». Вряд ли мы когда-нибудь узнаем о том, под какие песни сирен зарождались первые звезды, примитивные живые организмы или же первые человеческие мысли о потустороннем мире. Однако не возбраняется пофантазировать о том, какими они могли бы быть и даже время от времени порассуждать об их реальности.
Сфера моих интересов — биология (и небольшая ее часть — генетика и эволюция улиток; но больше об этом упоминать здесь не буду). Данное научное направление, как и многие другие, покоится на фундаментальных достижениях в области химии и физики. Чтобы получить правильное представление об изучаемом мною предмете, большую часть полученных знаний можно описать первыми словами из Библии: «В самом начале. » — а все дальнейшие события, касающиеся Адама, Евы и их потомков, заключены в нескольких строках, которые помещены в самом конце главы. К счастью, мне не хватает знаний (и таланта), необходимого для того, чтобы описать, даже кратко, историю той эпохи. В Книге Бытия повествование, начинающееся со времени зарождения Вселенной и вплоть до появления человека разумного, уложилось почти в семьсот слов. Правда, я не могу быть столь же лаконичным, и поэтому моя статья, описывающая ту же самую эпоху, получилась более длинной. Краткий рассказ о Большом взрыве и о возникновении жизни — все это лишь пролог к тем событиям, в результате которых появился человек. Все это служит для людей напоминанием о том, что они живут в маленькой Солнечной системе на краю какой-то заштатной галактики; что человек, если иметь в виду его физическую оболочку, мало чем отличается от прочих живых существ; и самое главное, человек мало что знает о своем истинном месте в природе.
Одно время считалось, что наш мир, порожденный Большим взрывом, — дом человечества и сам человек — все это находится в центре всего и вся; Солнце, Луна и звезды были созданы, лишь для того, чтобы осветить пути людские: «И да будут они светильниками на тверди небесной, чтобы светить на землю. И стало так». Космос преисполнен богословских наставлений. Вот, полная Луна — плоская, беззвучная, призрачная. В Средневековье христиане считали ее божественным телом, драгоценным камнем, занявшим на небесах подобающее место и воплощающим божественную гармонию, что резко контрастировало с несовершенством Земли, царством греха. Но в 1609 году Галилей с помощью телескопа положил конец этому умиротворяющему взгляду, ибо он разглядел на ней черные тени, которые отбрасывали лунным вечером горные вершины. А это свидетельствовало о том, что на Луне неровная поверхность, не сильно отличающаяся от поверхности Земли.
Правдивые факты о происхождении Земли, и о том, как и когда «при общем ликовании утренних звезд» все сыны Божии «восклицали от радости», еще более удивительны, чем это себе могли представить ученые-книжники. Древний парадокс, заключающийся в том, что с неба светят звезды, а не какой-то всемирный огонь, — лишний раз доказывает тот факт, что космос расширялся, начиная от некоторой центральной точки, и оставил огромные лакуны между осколками, образовавшимися после первоначального взрыва. Следовательно, ее возраст должен быть конечным. Эта мысль отражена в Книге Бытия, но в своем современном виде ее ввел католический священник и физик Жорж Леметр. Он назвал место рождения Вселенной «космическим яйцом». Вопрос о том, что было до того, как появилось яйцо, — это все равно, что спросить: что находится к северу от Северного полюса. Данный вопрос свидетельствует о непонимании природы времени и пространства. В физике, как и в философии, слова бывают обманчивы.
К моменту начала эйнштейновской революции считалось, что источником ионизации является радий и родственные ему элементы, залегающие внутри самой Земли. В 1910 году немецкий физик Теодор Вульф воспользовался аппаратом для измерения уровня ионизации (возникшего в том числе в результате ионизирующего излучения) наверху Эйфелевой башни (высотой 300 метров) по сравнению с уровнем ионизации у ее основания. Как и ожидалось, ионизация снизилась, но не так, как предсказывали данные измерений, проведенных между двумя точками, расположенными на поверхности Земли. Вульф предположил, что, возможно, какая-то часть излучения проникает из космоса. Эту гипотезу поначалу высмеяли, но вскоре австриец Виктор Гесс поднялся на воздушном шаре на высоту более пяти тысяч метров и обнаружил, что ионизация [при увеличении высоты] не падает до нуля, а наоборот растет, причем ее источник расположен над атмосферой (ученый зафиксировал трехкратное превышение ее уровня); она не сильно уменьшилась в момент полного затмения. Гесс обнаружил космические лучи. Это был первый намек на то, что Вселенная наполнена энергией, свидетельствующей о ее бурном рождении.
В самом начале существовал квантовый мир неопределенности («замкнутое сферическое пространство-время нулевого радиуса»), в котором преобладали квантовые эффекты гравитации. Его огромная мощь стала причиной внезапного расширения. Нам в основном известна история вселенной через десять в минус сорок третьей степени секунд (когда элементарные частицы, сталкиваясь друг с другом, порождали материю и антиматерию) после ее рождения и до сего дня. В течение первых нескольких минут после момента рождения, нейтроны и протоны стали соединяться друг с другом, образуя водород и гелий, а также небольшое количество дейтерия и лития; через несколько миллионов лет, не позже, в результате соединения легких частиц появились более тяжелые элементы. Затем, раскаленная масса, появившаяся в результате начальных химических реакций, стала остывать под действием силы тяжести, образуя звезды и галактики, которые, как мы знаем, в настоящий момент разлетаются и время от времени даже взрываются.
Что послужило причиной Большого взрыва до сих пор остается загадкой. Для верующих людей его причиной был Бог; однако для большинства ученых, подобная точка зрения является не ответом, но лишь предлогом для дальнейших исследований. Чем дальше идут в своих изысканиях те, кто изучают небо, стремясь с помощью науки описать реальность, тем больше их гипотезы выходят за грань понимания. Бесконечно ли множество других вселенных, некоторые из которых похожи на нашу? Почему скорость расширения вселенной, судя по всему, увеличивается, а не замедляется под действием силы гравитации? Где именно находятся не обнаруженные доселе девять десятых космического вещества, «темная материя» и «темная энергия», которые, должно быть, ускоряют или замедляют ее расширение? Этого мы не знаем. Но понимаем лишь то, что все объяснения должны подняться на недосягаемую интеллектуальную высоту, которую большинство из нас никогда не достигнет.
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.
Происхождение жизни на Земле: доказанная теория или нераскрытая тайна
Валерий Спиридонов, первый кандидат на пересадку головы, для РИА Новости
Человечество на протяжении многих лет пытается разгадать истинную причину и историю появления жизни на нашей планете. Еще чуть более ста лет назад практически во всех странах люди даже не думали подвергать сомнению теорию божественного вмешательства и сотворения мира высшим духовным существом.
Ситуация изменилась после выхода в ноябре 1859 года величайшего труда Чарльза Дарвина, и сейчас вокруг этой темы существует немало споров. Число сторонников дарвиновской теории эволюции в Европе и Азии насчитывает больше 60-70%, приблизительно 20% в США и около 19% в России по данным конца прошлого десятилетия.
Во многих странах сегодня призывают исключить труд Дарвина из школьной программы или хотя бы изучать его наравне с другими вероятными теориями. Если не говорить о религиозной версии, к которой склоняется большая часть населения планеты, сегодня существует несколько основных теорий происхождения и эволюции жизни, описывающих ее развитие на самых разных этапах.
Панспермия
Сторонники идеи панспермии убеждены, что на Землю первые микроорганизмы были принесены из космоса. Так считал известный немецкий ученый-энциклопедист Герман Гельмгольц, английский физик Кельвин, российский ученый Владимир Вернадский и шведский химик Сванте Аррениус, считающийся сегодня родоначальником этой теории.
Научно подтвержден факт, что на Земле неоднократно были обнаружены метеориты с Марса и других планет, возможно с комет, которые могли прибыть даже из чужих звездных систем. В этом сегодня никто не сомневается, однако пока не понятно как жизнь могла возникнуть на других мирах. По сути, апологеты панспермии переносят «ответственность» за происходящее на инопланетные цивилизации.
Теория о первичном бульоне
Рождению этой гипотезы поспособствовали эксперименты Гарольда Юри и Стэнли Миллера, проведенные в 1950-е годы. Они смогли воссоздать почти те же условия, которые существовали на поверхности нашей планеты до зарождения жизни. Через смесь молекулярного водорода, угарного газа и метана пропустили небольшие электрические разряды и ультрафиолет.
Тайна происхождения жизни скоро будет разгадана?
Еще полвека назад размышления о происхождении жизни считались уделом «престарелых ученых, которые могут позволить себе просто сидеть в кресле и рассуждать». Сегодня экспериментальным изучением этой проблемы заняты сотни научных коллективов. Их впечатляющие успехи позволяют надеяться, что не за горами тот день, когда все этапы долгого и трудного пути от неживой материи к простейшему живому организму можно будет воспроизвести в лаборатории.
Журнал Science начал публикацию серии эссе, посвященных 200-летию Чарльза Дарвина и 150-летию выхода в свет его главного труда — «Происхождения видов». Первое эссе, написанное известным американским популяризатором науки Карлом Циммером (Carl Zimmer), рассказывает о проблеме происхождения жизни — предмете, о котором сам Дарвин почти ничего не написал, поскольку не располагал необходимыми данными. Хотя, разумеется, эта проблема не могла его не волновать.
Из дарвиновской теории следовало, что сходство в строении организмов во многих случаях объясняется их происхождением от общего предка. Но для вывода о едином происхождении всего живого во времена Дарвина данных было еще недостаточно. Обосновать наличие у всех пород домашних голубей общего предка — дикого голубя — было сравнительно легко; труднее было сделать такой же вывод обо всём классе птиц; ну а для того, чтобы постулировать общее происхождение таких далеких друг от друга групп организмов, как животные и растения, в те времена нужно было обладать немалой научной смелостью. Однако Дарвин рискнул сделать этот шаг. В заключительной части «Происхождения видов» он отметил, что «. на основании принципа естественного отбора, сопровождаемого дивергенцией признаков, представляется вероятным, что от какой-нибудь подобной низкоорганизованной и промежуточной формы могли развиться как животные, так и растения; а если мы допустим это, мы должны допустить, что и все органические существа, когда-либо жившие на земле, могли произойти от одной первобытной формы». (Ч. Дарвин, «Происхождение видов. », глава 15).
Представления Дарвина о родстве всего живого опирались на известные в то время факты («. все живые существа имеют много общего в их химическом составе, в их клеточном строении, в законах их роста и в их чувствительности по отношению к вредным влияниям. », там же). Однако последние сомнения в правильности дарвиновской догадки отпали лишь во второй половине XX века, когда обнаружилось, что все живые существа имеют один и тот же аппарат наследственности и генетический код. Сегодня мало кто сомневается в том, что все живые организмы — от бактерий до человека — происходят от общего предка, уже имевшего такой наследственный аппарат и генетический код. Вопрос лишь в том, откуда этот предок взялся.
Сам Дарвин, по-видимому, почти не надеялся, что эту тайну когда-нибудь удастся разгадать. В некоторых изданиях «Происхождения видов» он даже упоминает о Творце, предположительно «вдохнувшем» жизнь в первый живой организм. Но это, однако, могло быть и не совсем искренней уступкой господствовавшим взглядам. Сохранились письма Дарвина коллегам и друзьям, из которых видно, что он склонялся к идее абиогенеза — самопроизвольного зарождения первых живых существ из органических соединений, как-то образовавшихся на древней Земле из неорганических веществ. Однако он полагал, что эту догадку едва ли удастся проверить, потому что в наши дни любое самопроизвольно образовавшееся «в каком-нибудь маленьком теплом пруду со всеми видами аммония, солей фосфора, светом, теплом, электричеством и т. д.» органическое вещество немедленно будет съедено и переварено живыми организмами — чего, конечно, не произошло бы в те времена, когда жизнь еще не зародилась.
Скептическое отношение к возможности разгадать тайну зарождения жизни сохранялось довольно долго. По словам Хендерсона Кливса (Henderson James Cleaves) из института Карнеги в Вашингтоне, еще лет 50 назад попытки разгадать тайну происхождения жизни считались уделом «престарелых ученых в конце их карьеры, когда они могут просто сидеть в кресле и рассуждать». Вспомним, как Н. В. Тимофеев-Ресовский ехидно отвечал на вопросы о происхождении жизни: «Я тогда маленький был, не помню, вы спросите лучше у академика Опарина, он знает».
Насмешки начали постепенно сходить на нет после экспериментов Стэнли Миллера, которому удалось в 1953 году синтезировать аминокислоты из смеси аммиака, метана и водорода (предполагаемый состав древней атмосферы Земли), пропуская через нее электрические разряды, имитировавшие молнии (см.: Получены новые результаты старого эксперимента Стэнли Миллера, «Элементы», 20.10.2008). Позже, однако, значение экспериментов Миллера было поставлено под сомнение. Согласно новым геологическим данным, полученным к 1990-м годам, в атмосфере древней Земли было много углекислого газа, который не входил в состав газовой смеси в опытах Миллера. В присутствии CO2 синтез аминокислот из неорганических газов поначалу идти не хотел. Эту проблему удалось преодолеть в 2008 году Кливсу и его коллегам. Они обнаружили, что молнии все-таки могут стимулировать синтез аминокислот в газовой смеси, содержащей CO2, если туда добавить некоторые дополнительные вещества, которые вполне могли присутствовать в первичной атмосфере.
Кроме того, молнии были далеко не единственными производителями органики на древней Земле. На сегодняшний день известны еще по крайней мере две надежные, реально работающие «фабрики» абиогенной органики: космос и гидротермальные источники (о первом из этих источников см.: В. Н. Снытников. Астрокатализ как стартовый этап геобиологических процессов. Жизнь создает планеты?; о втором: Гидротермальные источники — колыбель жизни на Земле?, «Элементы», 30.10.2006).
В целом на сегодняшний день абиогенный синтез простых органических веществ — «строительных блоков» для более сложных соединений, таких как белки и нуклеиновые кислоты, — уже не является проблемой. Аминокислоты (составные части белков), азотистые основания и сахара (составные части нуклеотидов, из которых состоят нуклеиновые кислоты), а также другие важные молекулы могли синтезироваться абиогенно несколькими разными способами. Сложнее оказалось понять, как из этих блоков могли сами собой собраться первые репликаторы — молекулы или комплексы молекул, способные к самовоспроизведению.
Начиная с 80-х годов XX века, когда были открыты каталитические (ферментативные) функции РНК, именно этот класс молекул по праву считается главным кандидатом на роль «первой молекулы жизни». Скорее всего, первыми репликаторами были молекулы РНК, катализирующие синтез собственных копий (см.: RNA world hypothesis). Однако между РНК и простыми органическими соединениями, возникающими в результате абиогенного синтеза, оставалась незаполненная брешь. Химикам до сих пор не удалось подобрать реалистичные условия, в которых из готовых «строительных блоков» — азотистых оснований, рибозы и фосфорной кислоты, которые могли возникнуть абиогенным путем, — сами собой синтезировались бы рибонуклеотиды. В итоге многие эксперты признали необходимость поиска обходных путей.
На сегодняшний день удалось нащупать два таких пути. Первый из них основан на предположении, что изначально в роли «вещества наследственности» выступали не РНК, а другие нуклеиновые кислоты, которые в ходе дальнейшей эволюции были замещены привычными нам РНК. Кандидатами на роль таких молекул являются искусственно синтезированные, не встречающиеся в живой природе ПНК (см. Peptide nucleic acid), ТНК (см. Threose nucleic acid) и ГНК (см. Glycerol nucleic acid). Эти молекулы, с одной стороны, легче синтезируются абиогенным путем, чем РНК, с другой — вполне способны выполнять роль «вещества наследственности».
Второй обходной путь разрабатывается химиком Джоном Сазерлендом (John Sutherland) и его коллегами из Манчестерского университета (Великобритания). Они обнаружили, что синтезировать РНК куда легче не из готовых крупных блоков — сахаров и азотистых оснований — а из более простых органических молекул, таких как формальдегид. Возможно, в ходе химической эволюции между простейшими органическими веществами и РНК вовсе не было промежуточного этапа накопления сахаров и азотистых оснований. Команда Сазерленда сейчас готовит публикацию, в которой будут разрешены основные проблемы синтеза РНК из простейшей органики. По словам Сазерленда, реакции хорошо идут при температурах и pH, встречающихся в небольших водоемах. Если такой водоем время от времени подвергается высыханию, это может сильно ускорить дело благодаря росту концентрации реагентов в остающихся мелких лужах. Так что Дарвин с его «маленьким теплым прудом», возможно, был недалек от истины.
Таким образом, на долгом и сложном пути от неорганических молекул к первой живой клетке остается всё меньше «белых пятен». Из оставшихся загадок ключевое значение имеет проблема появления у молекул РНК способности к самовоспроизведению (см. об этом в заметке: Искусственные протоклетки синтезируют ДНК без помощи ферментов, «Элементы», 09.06.2008). Однако и эта проблема постепенно решается. Очередной важный шаг в этом направлении сделали Трейси Линкольн и Джеральд Джойс (Tracey Lincoln, Gerald Joyce) из Скриппсовского исследовательского института в Сан-Диего (Калифорния, США), чья статья опубликована 8 января на сайте журнала Science.
Исследователям удалось подобрать несколько пар молекул РНК с каталитической активностью (рибозимов), которые успешно реплицируют (синтезируют копии) друг друга. В результате такой взаимной репликации популяция рибозимов может расти в геометрической прогрессии сколь угодно долго — для этого нужно только исправно снабжать растущую популяцию необходимыми «ресурсами», то есть исходными материалами для синтеза новых молекул РНК. За 30 часов популяция может в благоприятных условиях вырасти в 100 млн раз. Более того, заставив несколько разных пар размножающихся рибозимов конкурировать друг с другом за субстрат, исследователи вынудили их начать дарвиновскую эволюцию. В результате спонтанных мутаций и естественного отбора появились рекомбинантные рибозимы с повышенной скоростью размножения.
В отличие от прежних опытов, в которых удавалось добиться неограниченного размножения молекул РНК (см.: Эволюция под управлением компьютера, «Элементы», 12.04.2008), в данном случае процесс идет без участия белковых ферментов. Единственное, что не позволяет назвать этот результат окончательным решением проблемы самовоспроизведения РНК, — это природа субстрата. Размножающиеся пары рибозимов не могут использовать в качестве исходного материала для сборки новых молекул РНК отдельные рибонуклеотиды: они пока умеют работать лишь с олигонуклеотидами, то есть с довольно длинными фрагментами РНК, состоящими из многих рибонуклеотидов.
Таким образом, между результатами опытов Сазерленда (синтез рибонуклеотидов из простой органики) и Линкольн–Джойса (саморепликация рибозимов с олигонуклеотидами в качестве субстрата) еще остается брешь, для заполнения которой потребуются дополнительные исследования: нужно как-то перейти от отдельных рибонуклеотидов к олигонуклеотидам.
В заключительной части эссе Циммер рассказывает о работе по созданию искусственных протоклеток — пузырьков с липидной оболочкой, способных поглощать «пищу» (нуклеотиды) из окружающей среды и осуществлять репликацию РНК или ДНК. С новейшими результатами этих исследований читатели «Элементов» уже знакомы (см. Искусственные протоклетки синтезируют ДНК без помощи ферментов, «Элементы», 09.06.2008). Команда ученых из Гарвардской медицинской школы (Harvard Medical School) в Бостоне (США), создавшая протоклетки, продолжает работать над их усовершенствованием. Протоклетки используют в качестве субстрата не олигонуклеотиды, а отдельные нуклеотиды, и обходятся без помощи белковых ферментов, но пока не могут полностью осуществить весь цикл репликации РНК (они выполняют только отдельные этапы этого процесса). Однако исследователи полны оптимизма. Их цель — добиться того, чтобы протоклетки не только росли и размножались, но и эволюционировали. По их мнению, начало жизни было неразрывно связано с началом дарвиновской эволюции — по сути дела, это было одно и то же событие. Любопытно, что поведение протоклеток зависит от температуры: в тепле они активно «питаются», поглощая нуклеотиды из окружающей среды, а на холоде более активно используют эти нуклеотиды для матричного синтеза РНК. Может быть, для первых живых существ был характерен суточный цикл: днем они питались, а ночью реплицировали свой наследственный материал?
Судя по всему, уже не за горами тот день, когда ученые смогут экспериментально воспроизвести все этапы превращения косной материи в простейший живой организм.
Источники:
1) Carl Zimmer. Evolutionary roots: On the Origin of Life on Earth // Science. 2009. V. 323. P. 198–199.
2) Tracey A. Lincoln, Gerald F. Joyce. Self-Sustained Replication of an RNA Enzyme // Science. Published online January 8, 2009.
Теории происхождения жизни
За всю историю существования человечества сторонниками этой теории не было приведено ни одного подтверждающего доказательства. Справедливо отметить, что и опровергнуть эту теорию невозможно. Основополагающим моментом здесь являются не факты, а вера.
Теория стационарного состояния
Теория панспермии (греч. pan — всё и sperma — семя)
Теория самозарождения
Сторонники этой теории считали (или считают, если такие еще остались)), что жизнь способна самозарождаться из неживого. Еще Аристотель считал, что личинки, из которых появляются мухи, самозарождаются в гниющем мясе. Эти представления были довольно долго распространены и популярны.
Особенно активно эти идеи обсуждались в конце XVI века, когда апогея достигла легенда о гомункулусе. Свой рецепт «приготовления» гомункулуса Парацельс описывает так: «Возьмите сперму и заставьте ее гнить 7 суток в запечатанной тыкве, а затем в течение 40 недель в лошадином желудке, ежедневно добавляя кровь. В результате произойдет живой ребенок, как дитя, родившееся от женщины».
Кажется что-то таинственное и магическое скрыто за этими древними строками, однако это всего лишь остроумная шутка, на которую попались многие, даже из числа наших современников. Первым аргументированно попытался опровергнуть теорию самозарождения жизни Франческо Реди в 1668 году.
В честь Луи Пастера процесс тепловой обработки пищевых продуктов называется пастеризацией. Она представляет собой нагревание жидких продуктов до 60-70 °C в течение 60 минут, в результате чего болезнетворные микроорганизмы погибают. Это позволяет сохранить продукты свежими на долгое время.
Гипотеза А.И. Опарина абиогенного происхождения жизни
В результате таких преобразований из первичного бульона возникли первые прокариотические клетки.
По итогам эксперимента в системе появились аминокислоты, сахара, жиры и даже предшественники нуклеиновых кислот.
С точки зрения вероятности возникновение жизни весьма маловероятно, однако учитывая очень долгое время (1 млрд. лет от появления Земли) вероятность такого события значительно возрастает.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.