О происхождении жизни на Земле. Гипотеза.

В основе всей космотологии лежит одна фундаментальная идея – восходящая к Ньютону, идея гравитационной неустойчивости. Вещество не может оставаться однородно рассеянным в пространстве. Ибо взаимное притяжение всех частиц вещества стремится создать в нём сгущения тех или иных масштабов и масс.
Сейчас почти общепринятой является теория, по которой Земля, другие планеты и само Солнце образовались из одного и того же газопылевого облака. Точнее, около 9/10 массы облака, сжимаясь, превратились вскоре в протосолнце. В газопылевом облаке Земли имелось много водорода и гелия, водосодержащих газов – аммиака, метана, кристаллической воды.


Газопылевое облако «прошивалось» метеоритами. Проходя через слой газопылевого облака они теряли часть своей массы. Некоторые из них оставались в области притяжения Земли. Они сталкивались и оттого слипались, разогревались и расплавлялись. Начался процесс радиоактивного распада тяжёлых атомных ядер. При распаде тяжёлого изотопа водорода – трития образовалось нейтрино. Они слабо взаимодействуют друг с другом и с другими элементарными частицами. Они не реагируют на электромагнитное и ядерное излучение. Плотность нейтрино очень мала и составляет 10-29 г/куб.см. Её плотность близка к плотности вакуума.
Нейтрино - столь же широко распространенные во Вселенной частицы, как и фотоны. Они возникают при распадах атомных ядер и элементарных частиц, очень много их возникает в недрах звезд (в том числе, в Солнце). Это - нейтрино высоких энергий, движущиеся с околосветовыми скоростями. Еще больше в Природе нейтрино очень низких энергий, имеющих скорости порядка 1000 км/с и меньше. Они возникли на начальных этапах формирования Вселенной (отсюда их название - реликтовые нейтрино) и в настоящее время входят в состав галактик и других космических объектов, внося свой вклад в скрытую массу. Величина скрытой массы намного больше суммарной массы звезд и других объектов из "обычного" вещества, состоящего из протонов, нейтронов и электронов.

До недавнего времени для любого, знакомого со свойствами нейтрино, идея о том, что эти частицы могут играть какую-то роль в нашей жизни, казалась абсурдной. Ведь на гигантской установке, предназначенной для регистрации потока нейтрино от Солнца, регистрировалось всего несколько частиц в год! Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в последние 10 - 15 лет, показали, что роль нейтрино может быть существенно более значительной, чем это предполагалось раньше. Но не тех нейтрино, которые возникают при ядерных реакциях и распадах, а нейтрино ультранизких энергий, имеющих энергию в миллиарды раз меньшую. Это - уже упомянутые "реликтовые" нейтрино, входящие в состав скрытой массы Вселенной.

Нейтрино ультранизких энергий - самое распространенное вещество Вселенной. Их концентрация, в среднем по Галактике, составляет 107 - 108 частиц/см3. Еще больше их может собираться в гравитационных полях небесных тел. В то же время, выяснилось, что в противоположность ранее существовавшим представлениям, нейтрино ультранизких энергий взаимодействуют с веществом несравненно более эффективно, чем нейтрино "ядерных" энергий. Это связано с тем, что, в соответствии с принципами квантовой механики, взаимодействием охватывается область размером порядка длины волны де-Бройля, которая, ввиду малости импульса нейтрино ультранизких энергий, достигает нескольких миллиметров. При движении такой частицы в веществе взаимодействием охватывается огромное число атомов, и итоговый эффект становится большим даже при малости "индивидуальных" взаимодействий. Заметим, что длина волны де-Бройля "ядерных" нейтрино намного меньше размеров атомов, поэтому они могут взаимодействовать лишь с одним электроном или ядром.

Взаимодействие нейтрино ультранизких энергий с веществом подобно взаимодействию света или радиоволн со средой, обладающей очень высокой прозрачностью. В однородной прозрачной среде распространение излучения происходит прямолинейно и без обмена энергией. Но на неоднородностях, на границах сред с различными физическими свойствами происходит преломление и отражение, т.е. изменение направления распространения. При этом энергия частиц (квантов) тоже не меняется. Изменение направления движения означает изменение импульса, с которым связано действие силы на фрагмент вещества, где произошло это изменение. Таким образом, нейтрино (так же как и свет в прозрачной среде), взаимодействует с веществом своеобразно: поток излучения оказывает механическое давление при отсутствии энергообмена.

Далее, гипотеза академика А.И. Опарина.
Принципиально новая гипотеза происхождения жизни была изложена академикомА.И. Опариным в книге «Происхождение жизни», опубликованной в 1924 г. Он выступил с утверждением, что принцип Реди, вводящий монополию биотического синтеза органических веществ, справедлив лишь для современной эпохи существования нашей планеты. В начале же своего существования, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотические синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция.

Суть гипотезы Опарина заключается в следующем: зарождение жизни на Земле — длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой. Произошло это путем химической эволюции, в результате которой простейшие органические вещества образовались из неорганических под влиянием сильнодействующих физико-химических процессов.

Появление жизни он рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень — биохимическую эволюцию.

Рассматривая проблему возникновения жизни путем биохимической эволюции, Опарин выделяет три этапа перехода от неживой материи к живой.

Первый этап — химическая эволюция. Когда Земля была еще безжизненной (около 4 млрд лет назад), на ней происходили абиотический синтез углеродистых соединений и их последующая предбиоло- гическая эволюция.

Для этого периода эволюции Земли были характерны многочисленные вулканические извержения с выбросом огромного количества раскаленной лавы. По мере остывания планеты водяные пары, находившиеся в атмосфере, конденсировались и обрушивались на Землю ливнями, образуя огромные водные пространства (первичный океан). Эти процессы продолжались многие миллионы лет. В водах первичного океана были растворены различные неорганические соли. Кроме того, в океан попадали и различные органические соединения, непрерывно образующиеся в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения, высокой температуры и активной вулканической деятельности.

Концентрация органических соединений постоянно увеличивалась, и, в конце концов, воды океана стали «бульоном» из белковопо- добных веществ — пептидов.

Второй этап — появление белковых веществ. По мере смягчения условий на Земле, под воздействием на химические смеси первичного океана электрических разрядов, тепловой энергии и ультрафиолетовых лучей стало возможным образование сложных органических соединений — биополимеров и нуклеотидов, которые, постепенно объединяясь и усложняясь, превращались в протобионтов (доклеточных предков живых организмов). Итогом эволюции сложных органических веществ стало появление коацерватов, или ко- ацерватных капель.

Коацерваты — комплексы коллоидных частиц, раствор которых разделяется на два слоя: слой, богатый коллоидными частицами, и жидкость, почти свободную от них. Коацерваты обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в водах первичного океана. В результате внутреннее строение коацерватов менялось в сторону повышения их устойчивости в постоянно меняющихся условиях.

Теория биохимической эволюции рассматривает коацерваты как предбиологические системы, представляющие собой группы молекул, окруженные водной оболочкой.

Так, например, коацерваты способны поглощать вещества из окружающей среды, вступать во взаимодействие друг с другом, увеличиваться в размерах и т.д. Однако в отличие от живых существ ко- ацерватные капли не способны к самовоспроизводству и саморегулированию, поэтому их нельзя отнести к биологическим системам.

Третий этап — формирование способности к самовоспроизводству, появление живой клетки. В этот период начал действовать естественный отбор, т.е. в массе коацерватных капель происходил отбор ко- ацсрватов, наиболее устойчивых к данным условиям среды. Процесс отбора шел в течение многих миллионов лет. Сохранившиеся ко- ацерватные капли уже обладали способностью к первичному метаболизму — главному свойству жизни.

Вместе с тем, достигнув определенных размеров, материнская капля распадалась на дочерние, сохраняющие особенности материнской структуры.

Таким образом, можно говорить о приобретении коацерватами свойства сам о вое производства — одного из важнейших признаков жизни. По сути дела, на этой стадии коацерваты превратились в простейшие живые организмы.

Дальнейшая эволюция этих предбиологических структур была возможна только при усложнении обменных процессов внутри ко- ацервата.

Внутренняя среда коацервата нуждалась в защите от воздействий окружающей среды. Поэтому вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, отделившие ко- ацерват от окружающей его водной среды. В процессе эволюции липиды трансформировались в наружную мембрану, что значительно повысило жизнеспособность и устойчивость организмов.

Появление мембраны предопределило направление дальнейшей биологической эволюции по пути все более совершенной авторегуляции, завершившейся образованием первичной клетки — археклет- ки. Клетка — элементарная биологическая единица, структурно-фун- кциональная основа всего живого. Клетки осуществляют самостоятельный обмен веществ, способны к делению и саморегулированию, т.е. обладают всеми свойствами живого. Образование новых клеток из неклеточного материала невозможно, размножение клеток происходит только благодаря делению. Органическое развитие рассматривается как универсальный процесс клеткообразования.

В структуре клетки выделяют: мембрану, отграничивающую содержимое клетки от внешней среды; цитоплазму, представляющую собой соляной раствор с растворимыми и взвешенными ферментами и молекулами РНК; ядро, содержащее хромосомы, состоящие из молекул ДНК и присоединенных к ним белков.

Следовательно, началом жизни следует считать возникновение стабильной самовоспроизводящейся органической системы (клетки) с постоянной последовательностью нуклеотидов. Только после возникновения таких систем можно говорить о начале биологической эволюции.

Возможность абиогенного синтеза биополимеров была экспериментально доказана в середине XX в. В 1953 г. американский ученый С. Миллер смоделировал первичную атмосферу Земли и синтезировал уксусную и муравьиную кислоты, мочевину и аминокислоты путем пропускания электрических зарядов через смесь инертных газов. Таким образом было продемонстрировано, как под действием абиогенных факторов возможен синтез сложных органических соединений.

Несмотря на теоретическую и экспериментальную обоснованность, концепция Опарина имеет как сильные, так и слабые стороны.

Сильной стороной концепции является достаточно точное эспериментальное обоснование химической эволюции, согласно которой зарождение жизни является закономерным результатом предбиологической эволюции материи.

Убедительным аргументом в пользу этой концепции является также возможность экспериментальной проверки ее основных положений.

Слабой стороной концепции является невозможность объяснения самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам.

Одну из версий перехода от предбиологической к биологической эволюции предлагает немецкий ученый М. Эйген.Согласно его гипотезе возникновение жизни объясняется взаимодействием нуклеиновых кислот и протеинов. Нуклеиновые кислоты являются носителями генетической информации, а протеины служат катализаторами химических реакций. Нуклеиновые кислоты воспроизводят себя и передают информацию протеинам. Возникает замкнутая цепь — гиперцикл, в котором процессы химических реакций самоускоряются за счет присутствия катал и заторов.

В гиперциклах продукт реакции одновременно выступает и катализатором, и исходным реагентом. Подобные реакции называются автокаталитическими.

Другой теорией, в рамках которой можно объяснить переход от предбиологической эволюции к биологической, является синергетика. Закономерности, открытые синергетикой, позволяют прояснить механизм возникновения органической материи из неорганической в терминах самоорганизации через спонтанное возникновение новых структур в ходе взаимодействия открытой системы с окружающей средой.