Сущность жизни и ее эволюция

13

Введение

Одним из самых трудных  и в то же время интересных в современном естествознании является вопрос о происхождение жизни.

Понимание сущности жизни, ее возникновения и эволюции определяет все будущее человечества на Земле как вида живого. В настоящее время накоплен огромный фактический материал, есть его осмысление, особенно в области молекулярной биологии и генетики, есть схемы или модели развития, но … нет ответа. Ближе всего к разгадке тайны подошла современная биология. Она сообщает множество интересных и важных подробностей, но упускает что-то принципиальное.

Как говорил М.В. Волькенштейн: «В биологии как науке о живом возможны только два пути: либо признать невозможным объяснение жизни на основе физики и химии, либо такое объяснение возможно и его надо найти,  в том числе на основе общих закономерностей, характеризующих строение и природу материи, вещества и поля». [1, с. 240].

Проблему живого одной из наук, в том числе и физике, не решить. В настоящее время появились  физические принципы, не противоречащие основным открытым законам. Но в целом феномен живого пока ускользает от нашего понимания. Может быть, чтобы понять его, как и общую картину мира, надо отойти от частных наук. Как остроумно заметил Н.В. Тимофеев-Ресовский:  «Мы все такие материалисты, что нас всех безумно волнует, как возникла жизнь. При этом нас почти не волнует, как возникла материя. Тут все просто. Материя вечна, она всегда была, и не нужно никаких вопросов. А вот жизнь, видите ли, обязательно должна возникнуть. А может быть, она тоже всегда была. И не надо вопросов, просто всегда была, и все». [1, с. 241].

Самый уникальный феномен во Вселенной – это Жизнь, существующая на нашей планете.

1. Происхождение жизни

1.1Отличие живого от неживого, концепции возникновения жизни

Живой организм является неотъемлемой частью земной коры и изменяющим ее элементам, а живое вещество – это совокупность организмов, участвующих в геохимических процессах.

Есть несколько фундаментальных отличий живого от неживого в вещественном, структурном и фундаментальном 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 воспроизведения есть и в неживых системах. Но в живых телах имеет место процесс самовоспроизведения. Не что-то воспроизводит их, а они сами. Это принципиально новый момент.

Также живые тела отличаются от неживых наличием обмена веществ, способностью к росту и развитию, активной регуляцией своего состава и функций, способностью к движению, раздражимостью, приспособленностью к среде и т.д. неотъемлемым свойством живого являются деятельность, активность. «Все живые существа должны или действовать, или погибнуть. Мышь должна находиться в постоянном движении, птица летать, рыба плавать и даже растение должно расти». [2, с. 91].

Однако строгое научное разграничение живого и неживого встречает определенные трудности. Имеются как бы переходные формы от нежизни к жизни. Так, например, вирусы 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 самый важный, можно отнести вирусы к живым системам или нет.

Концепция – определенный способ понимания, трактовки какого-либо природного явления, система взглядов на что-либо.

Существует пять концепций возникновения жизни:

1.      Креационизм – божественное сотворение живого;

2.      Концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества;

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.

Креационистские теории, в отличие от естественнонаучных гипотез объясняли происхождение жизни, существованием бога-созидателя, основывая свое учение на Библии.

В креационистской теории сотворение мира животный и растительный миры создаются сразу по желанию бога во всей своей красе и во всем разнообразии. Каждый род и вид флоры и фауны уникальны с самого рождения, потому что являются воплощением Божественного плана, а не случайной стихии природы. Воля и энергия Творца служит первым толчком для превращения неживой материи («воды» и «земли») в живую. Эволюционная идея превращения одного рода в другой путем естественного отбора с позиции этой теории представляется ненужной: природа изначально была создан в совершенной гармонии с окружающим миром. Эта концепция является религиозной  и к науке прямого отношения не имеет.

Концепции многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества придерживался еще Аристотель, который считал, что живое может возникать и в результате разложения почвы. Эта концепция была опровергнута итальянским врачом Реди, который утверждал, что на Земле все живое может произойти только от живого. В 1862 году эту концепцию окончательно опроверг Луи Пастер, изучавший деятельность бактерий французский микробиолог XIX века. [2, с. 91].

Концепция стационарного состояния. Сторонники этой концепции утверждают, что  жизнь существует вечно, а на землю ее занесли случайно метеоритами или инопланетянами. Эта концепция из-за своей оригинальности и умозрительности всегда имела немного сторонников.

К началу ХХ века в науке господствовали две концепции. Концепция панспермии, согласно которой жизнь была занесена на Землю извне, опираясь на обнаружение при изучении метеоритов и комет «предшественников живого»  - органических соединений, которые возможно 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. Согласно другой точке зрения, происхождение жизни – результат закономерной эволюции материи.

1.2 Естественнонаучная концепция

ХХ век привел к созданию первых научных моделей происхождения жизни.

Целая эпоха в истории изучения проблемы происхождения жизни связана с трудами А.И. Опарина и его учеников. Пик исследований ученого приходится на 1950-70 годы, хотя основополагающий его труд «Происхождение жизни был опубликован еще в 1024 году. Уже в нем была впервые сформулирована естественнонаучная концепция, согласно которой происхождение жизни – результат длительной эволюции на земле – сначала химической, затем биохимической. Эта концепция получила наибольшее признание в научной среде. [2, с. 92].

Можно выделить следующие этапы 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 «Кремневая цивилизация», но на Земле основой жизни является углерод. 

Атомы углерода вырабатываются в недрах больших звезд в необходимом для образования жизни количестве. Углерод способен создавать разнообразные  подвижные, низкоэлектропроводные, студенистые, насыщенные водой, длинные  скрученные цепеобразные структуры. Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором, серой, железом обладают замечательными каталитическими, строительными, энергетическими, информационными и иными свойствами. [2, с. 92].

Кислород, водород и азот наряду с углеродом можно отнести к «кирпичикам живого». 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 возникали не только до появления жизни, но и до формирования  нашей планеты. Следовательно, органические вещества абиогенного происхождения присутствовали на Земле уже при ее образовании.

Химические  и палеонтологические исследования древнейших 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 (температура, присутствие воды, солей и т.д.). также для возникновения жизни нужны определенные диапазоны температур, влажности, давления, уровня радиации, определенная направленность развития Вселенной и время.

А.И. Опарин считал, что периоду развития жизни предшествовал длительный период химической эволюции Земли, во время которого образовались сложные органические вещества и протоклетки.

А.И. Опарин полагал, что органические вещества могли создаваться и в океане из более простых соединений. Энергию для этих реакций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнечная радиация (главным образом, ультрафиолетовая), падавшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. Разнообразие находящихся в океанах простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества, и образовался тот «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь. [2, с. 94].

После того как углеродистые соединения образовали «первичный бульон», могли уже организовываться биополимеры – белки и нуклеиновые кислоты, обладающие свойством самовоспроизводства себе подобных. Необходимая концентрация веществ для образования биополимеров могла возникнуть в результате осаждения органических соединений на минеральных частицах, например, на глине или гидроокиси железа, образующих ил прогреваемого солнцем мелководья. Кроме того, органические вещества  могли образовать на поверхности океана тонкую пленку, которую ветер и волны гнали к берегу, где она собиралась в толстые слой.  Затем образуются микросферы – шаровидные тела, возникающие при растворении и конденсации абиогенно полученных белковоподобных веществ. [2, с. 94].

Начало жизни на Земле – появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков.

Самое трудное для этой гипотезы – объяснить способность живых систем  к самовоспроизведению, т.е. сам переход от сложных неживых систем к простым живым организмам.

Одной из сильных сторон гипотезы Опарина является то, что она находится в соответствии с гипотезой эволюции добиологической (неживой) материи и зарождение жизни представлено в ней как закономерный процесс.

Вторая сильная сторона – возможность экспериментальной проверки основных положений гипотезы в лабораторных условиях. Однако, есть и слабы стороны рассматриваемой гипотезы. Например, гипотеза Опарина допустила возможность самовоспроизведения доклеточных структур при отсутствии молекулярных систем с функциями генетического кода. Потому при синтезе аминокислот в лабораторных условиях дополнительно допускалось введение в «первичный» бульон» химически сложных готовых «блоков», например, ферментов, без которых реакция не шла. В рамках гипотезы Опарина  не удается объяснить главную проблему: причину того таинственного скачка от неживой материи к живой, который знаменует собой начало жизни в том «земном» виде, в котором она известна. [5, с. 66].

1.3 Эволюционистская концепция

В 1962 году была предложена Томасом Куном парадигмальная концепция развития научного познания, включающая понятие «научные революции». Согласно этой концепции, развитие науки определяется сообществами ученых. Решения в таком сообществе соответствуют методологическим концепциям – парадигмам, которым следуют и которым руководствуются все члены данного научного сообщества.

Суть этой концепции в том, что решающее значение для научного познания имеют не внешние факторы, а отношения внутри научного сообщества.

Основу методологической парадигмы естествознания составляет ряд подходов, к которому, прежде всего, следует отнести философский. Философский подход развивался на протяжении всей истории человечества, философия аккумулировала огромный объем информации. Поскольку философские категории являются предельно общими, то и философский подход обладает предельной общностью.

Сущность всякого подхода состоит в том, что в основе метода, его реализующего, должны быть заложены такие объективные законы, которые являются более общими, чем те законы, которые исследуются при помощи данного подхода. Если отказаться от объективной основы подхода, то становится необъяснимой причина его использования.

На втором месте по общности стоит математический подход. Он не является абсолютно универсальным, но все же, как правило, обладает такой общностью, благодаря которой оказывается применимым в качественно различные предметных областях познания.

Статистический подход в познании – математический подход, применяемый для анализа массовых явлений с помощью численных методов,  разработанных в теории вероятностей.