9. У истоков жизни

9.1. Гипотезы происхождения жизни

Возникновение жизни на Земле является одной из основных проблем современного естествознания, философии и религии. На протяжении всего развития человечества этот вопрос волновал и волнует нас до сих пор. Остановимся кратко на главных гипотезах возникновения жизни: креационистской, теории самопроизвольного зарождения, существования жизни вечно, занесения элементов жизни из Космоса и биохимической эволюции.

Согласно креационистской гипотезе сотворения жизни, на основе толкования Библии предполагают, что животный, растительный мир и Человек создан Богом сразу по его желанию, как говорится, во всей своей красе и всем разнообразии. При этом все эти творения Бога созданы в совершенной гармонии и не требуют своего дальнейшего развития. Любопытно, что в рамках этой гипотезы на основе анализа возрастов и родственных связей лиц, упоминаемых в Библии, это произошло в 9 часов утра 23 октября 4004 г. до н. э.!

В противоположность этой гипотезе еще в древности в Китае и Египте была выдвинута идея самопроизвольного непрерывного зарождения живого из неживого. Эти представления поддерживали древнегреческие мыслители (Аристотель, Платон) и более поздние ученые (Галилей, Бэкон, Декарт, Гегель, Ламарк). Согласно Аристотелю, частицы вещества содержат «активное начало», дающее возможность зародиться живому, например, лягушки и насекомые при определенных условиях заводятся в сырой почве, в стоячей воде - черви и водоросли, в протухшем мясе при гниении - личинки мух.

Первый ощутимый удар по этой теории нанес итальянский естествоиспытатель и врач Ф. Реди, который в 1688 году проделал опыт с закрытыми и открытыми сосудами, где были помещены мертвые змеи. В открытом сосуде мухи откладывали свои яйца и из них развивались личинки мух. В закрытом сосуде этого не происходило. Из этих опытов и возник известный принцип Ф. Реди - «все живое от живого». Опыты Реди серьёзно поколебали господствовавшую идею о самозарождении жизни. Однако его выводы не были сразу приняты наукой и обществом. Это был только первый шаг на долгом и трудном пути опровержения теории самозарождения.

Французский ученый Луи Пастер своими простыми и оригинальными опытами окончательно доказал невозможность самозарождения простых организмов. Опыты Пастера  (рис. 41) продемонстрировали, что микроорганизмы появляются в органических растворах в силу того, что туда были ранее занесены их зародыши. Если же сосуд с питательной средой оградить от занесения в него микробов, проведя стерилизацию (пастеризацию), то никакого самозарождения не произойдет. Опыты Пастера подтвердили принцип Реди и показали научную несостоятельность концепции спонтанного самозарождения организмов. Но, опровергнув эту концепцию, Пастер, к сожалению, не предложил никакой другой идеи.

Рис. 41. Опыты Л. Пастера

Концепция самозарождения жизни, несмотря на свою ошибочность, сыграла позитивную роль в развитии естествознания, поскольку опыты, призванные подтвердить ее, помогли получить богатый эмпирический материал для развивающейся биологической науки.

Теория панспермии о занесении «зародышей жизни» из Космоса является гипотезой о внеземном происхождении жизни. Известно, что в мировом пространстве имеются частицы вещества, пылинки, на которых могут находиться живые споры микроорганизмов. Попадая на планету с подходящими для микроорганизмов условиями, они и создают жизнь на этой планете. В настоящее время получены космохимические данные, указывающие на возможность возникновения органических веществ, характерных для живых организмов, химическим путем в космических условиях. При изучении состава метеоритов и комет были обнаружены спирты, карбонильные соединения, вода, синильная кислота, формальдегиды и т. д. Большая часть молекул, обнаруженных в межзвездных облаках, относится к простейшим соединениям углерода, в том числе к аминокислотам. Предшественники аминокислот в 1975 году были найдены и в лунном грунте. Поскольку метеориты довольно часто падают на Землю из Космоса, можно предположить, что образование органических соединений в Космосе - не такое уже редкое событие, скорее типичное и довольно распространенное. Несмотря на то, что о существовании жизни вне Солнечной системы сказать пока однозначно и определенно достаточно сложно, существует гипотеза о возникновении жизни на Земле практически одновременно с моментом образования самой Земли около 4,6 млрд лет назад. И тогда условно можно считать, что жизнь зародилась в момент создания Солнечной системы, в том числе и Земли, т. е. в Космосе. В качестве аргументов в пользу этой гипотезы любители экстравагантных доказательств приводят такие факты, как прилеты инопланетян на Землю, неопознанные летательные объекты (НЛО), наскальные, топологические рисунки на поверхности Земли и т. д. Однако эта гипотеза не дает ответа на вопрос о механизме изначального возникновения жизни, а просто переносит эту проблему в другое место во Вселенной.

По данным ядерной геохронологии, длительность геологической эволюции Земли и жизни на ней близки друг к другу, что привлекает сторонников другой гипотезы происхождения жизни на Земле - вечного ее существования. Эта модель близка к теории вечного существования жизни во всей Вселенной. В эволюционном процессе изменения условий для возникновения жизни можно предположить, что жизнь на Земле может совпадать с образованием и существованием материи. Такой точки зрения придерживался известный глобалист-естествоиспытатель В. И. Вернадский: жизнь и материя неразрывны, взаимосвязаны, и между ними нет временной последовательности.

В вопросе появления жизни на нашей планете еще много остается неясного и неопределенного. Эта проблема далека от окончательного решения. Тем не менее, современная наука дает возможность выдвинуть некоторые гипотезы, отвечающие на вопросы о том, как, когда и в какой форме появилась жизнь на Земле.

Теория биохимической эволюции

Учёными установлено, что возраст Земли составляет примерно 4,5-5 млрд лет. По мнению физиков, астрономов, геологов, биологов, в далеком прошлом состояние нашей планеты было мало похоже на нынешнее: температура ее поверхности была очень высокой (4000-8000 °С). До тех пор пока температура Земли не упала ниже 100 °С, вся вода, вероятно, находилась в парообразном состоянии. Отсутствие в атмосфере кислорода было, вероятно, необходимым, но недостаточным условием для возникновения жизни. Если бы свободный кислород присутствовал на Земле в добиотический период, то, с одной стороны, он окислял бы синтезирующиеся органические вещества, а с другой - образуя озоновый слой в верхних горизонтах атмосферы, поглощал бы высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение Солнца. В рассматриваемый период возникновения жизни, длившийся примерно 1 млрд лет, ультрафиолет был, вероятно, основным источником энергии для синтеза органических веществ.

Над проблемой происхождения жизни трудился академик А. И. Опарин, разработавший теорию возникновения живого на Земле. Его гипотеза состоит в том, что при формировании планеты на ней появились первые простейшие органические вещества - углеводороды. Со временем они изменялись и усложнялись, вступая в химическое соединение с атмосферным азотом, превращались в новые более сложные вещества. Органические вещества возникали из простейших соединений - аммиака, метана, водорода и воды. Энергия, необходимая для подобных превращений, могла быть получена или от ультрафиолетового излучения, или от частых грозовых электрических разрядов - молний. Возможно, эти органические вещества постепенно накапливались в Древнем океане, образуя «первичный бульон», в котором и зародилась жизнь.

На основе углеводородов возникли вещества, близкие по составу к белкам и другим органическим соединениям, из которых состоят живые организмы. По гипотезе А. И. Опарина, в первичном бульоне длинные нитеобразные молекулы белков могли сворачиваться в шарики, «склеиваться» друг с другом, укрупняясь. Благодаря этому они становились устойчивыми к разрушающему действию прибоя и ультрафиолетового излучения.

Однако все эти органические вещества не имели главного признака жизни - они не были способны к обмену веществ. В основе обмена веществ лежат химические реакции, которые обеспечивают постоянное обновление живого вещества и дают живому организму необходимую энергию.

Рис. 42. Коацервация

Белковые «шарики» в «первичном бульоне» притягивали к себе, связывали молекулы воды, а также жиров. Жиры оседали на поверхности белковых тел, обволакивая их слоем, структура которого отдалённо напоминала клеточную мембрану. Этот процесс Опарин назвал коацервацией, а получившиеся тела коацерватными каплями, или просто коацерватами (рис. 42). С течением времени коацерваты поглощали из окружавшего их раствора всё новые порции вещества, их структура усложнялась до тех пор, пока они не превратились в очень примитивные, но уже живые клетки. Эти белковые образования были способны взаимодействовать с другими веществами. В коацерватах уже происходили химические превращения, что давало им возможность расти, видоизменяться. Их внутреннее строение становилось всё более сложным и совершенным - коацерваты приближались к живому веществу, способному к обмену веществ и к размножению.

В ряде опытов было установлено, что образование коацерватных суспензий, или микросфер, типично для многих биологических полимеров в растворе. Коацерватные капли обладают некоторыми свойствами, характерными и для живой протоплазмы, как, например, избирательно адсорбировать вещества из окружающего раствора и за счет этого «расти», увеличивать свои размеры. Благодаря тому, что концентрация веществ в коацерватных каплях была в десятки раз больше, чем в окружающем растворе, возможность взаимодействия между отдельными молекулами значительно возрастала. Известно, что молекулы многих веществ, в частности полипептидов и жиров, состоят из частей, обладающих разным отношением к воде. Гидрофильные части молекул, расположенные на границе между коацерватами и раствором, поворачиваются в сторону раствора, где содержание воды больше. Гидрофобные части ориентируются внутрь коацерватов, где концентрация воды меньше. В результате поверхность коацерватов приобретает определенную структуру и в связи с этим свойство пропускать в определенном направлении одни вещества и не пропускать другие. Благодаря этому свойству концентрация некоторых веществ внутри коацерватов еще больше возрастает, концентрация других уменьшается, и реакции между компонентами коацерватов приобретают определенную направленность. Коацерватные капли становятся системами, обособленными от среды. Возникают протоклетки, или протобионты.

Важным этапом химической эволюции явилось образование мембранной структуры. Параллельно с появлением мембраны шло упорядочение и усовершенствование метаболизма. В дальнейшем усложнении обмена веществ в таких системах существенную роль должны были играть катализаторы.

В 1953 году американский исследователь Стэнли Миллер в ряде экспериментов моделировал условия, существовавшие на Земле приблизительно 4 млрд лет назад. Миллеру удалось получить ряд аминокислот, альдегидов, молочную, уксусную и другие органические кислоты. Американский биохимик С. Поннаперума, моделируя предположительные условия первичного океана, добился образования нуклеотидов и АТФ.

Теория Опарина завоевала широкое признание, но она оставляет нерешенными многие проблемы, связанные с переходом от сложных органических веществ к простым живым организмам. Как и в других теориях происхождения жизни, в теории биохимической эволюции есть много вопросов без ответов. Хотя эту гипотезу происхождения жизни признают очень многие ученые, астроном Фред Холл высказал мнение, что мысль о возникновении живого в результате описанных выше случайных взаимодействий молекул «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке Боинга-747». Самое трудное для этой теории - объяснить появление способности живых систем к самовоспроизведению. Гипотезы по этому вопросу пока малоубедительны.

9.2. Клетка. Состав и строение

Все живое состоит из клеток как дискретных единиц, подобно тому, как неживое вещество - из дискретных атомов и молекул и развивается из клеток, которые можно считать мельчайшими единицами живой природы. Правда, жизнь может существовать и во внеклеточной форме - в виде вирусов. Вирусы - это совокупность макромолекул размером 20-300 нм, состоящие из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки, называемой капсидом. Вирусы видеоспецифичны, размножаются только в живых клетках-«хозяевах», значительно меньше самых мелких клеток и не способны к самовоспроизведению (на рис. 43 представлены фотографии некоторых вирусов). Поэтому именно клетка является структурной и функциональной единицей любого живого организма. Каждая клетка является микроносителем жизни, поскольку в ней заключена такая генетическая информация, которая достаточна для воспроизведения всего организма. Элементарные явления на этом уровне организации биологических структур обусловлены процессами обмена веществ.

Вирус Эбола	Вирус оспы	Вирус гриппа
Вирус бешенства	Вирус герпеса	Вирус СПИДа
Рис. 43.  Микрофотографии вирусов

На клеточном уровне сочетаются процессы передачи и переработки информации и превращения веществ и энергии, поэтому элементарные явления на клеточном уровне создают энергетическую и вещественную основу жизни на других уровнях. Целевой функцией клетки является сохранение ее под воздействием внешней среды, ее устойчивость как «единицы жизни», стремление поддержать стабильность протекающих в ней процессов. В настоящее время на Земле насчитывается свыше четырех миллионов видов клеточных организмов. Средний размер животной соматической клетки 10^-20 мкм в диаметре, растительной - 30^-50 мкм, масса клетки около 10^-8-10^-9 г. Количество клеток у примитивных беспозвоночных достигает 10²-10⁴, у высокоорганизованных животных - до 10¹⁵-10¹⁷.

Клетки водоросли	Стволовые клетки человека	Раковые клетки	Сперматозоид
Рис. 44. Примеры клеток

Первым человеком, увидевшим клетки, был английский учёный Роберт Гук. В 1665 году Гук, рассматривая тонкие срезы коры пробкового дерева, обнаружил, что пробка разделена на множество крошечных ячеек, напомнивших ему монастырские кельи, и он назвал эти ячейки клетками. В 1675 году итальянский врач М. Мальпиги, а в 1682 году - английский ботаник Н. Грю подтвердили клеточное строение растений. О клетке стали говорить как о «пузырьке, наполненном питательным соком». В 1674 году голландский мастер Антоний ван Левенгук с помощью микроскопа впервые увидел в капле воды «зверьков» - движущиеся живые организмы (инфузории, амёбы, бактерии). Также Левенгук впервые наблюдал животные клетки - эритроциты и сперматозоиды. Таким образом, уже к началу XVIII века учёные знали, что под большим увеличением растения имеют ячеистое строение, и видели некоторые организмы, которые позже получили название одноклеточных. В 1802-1808 годах французский исследователь Мирбель установил, что все растения состоят из тканей, образованных клетками. Ж. Б. Ламарк в 1809 году распространил идею Мирбеля о клеточном строении и на животные организмы. В 1831 году английский ботаник Р. Броун впервые описал ядро растительной клетки, а в 1833 году установил, что ядро является обязательным органоидом клетки растения. Клеточная теория строения организмов была сформирована в 1839 году немецким зоологом Т. Шванном и М. Шлейденом. На рис. 44 приведены примеры различных клеток.

Рис.45. Строение клетки

На протяжении всей жизни идет непрерывная замена старых клеточных структур на вновь образующиеся. Минимальный срок жизнедеятельности клеток человека - один-два дня. Ежедневно погибает до 70 млрд клеток кишечного эпителия и 2 млрд эритроцитов. Клетки крови полностью заменяются через четыре месяца.

Клетка любого организма, представляет собой целостную живую систему. Она состоит из трех неразрывно связанных между собой частей: оболочки, цитоплазмы и ядра (рис. 45).

Оболочка клетки осуществляет непосредственное взаимодействие с внешней средой и взаимодействие с соседними клетками (в многоклеточных организмах).

Отграниченная от внешней среды плазматической мембраной, цитоплазма представляет собой внутреннюю полужидкую среду клеток. В составе основного вещества цитоплазмы преобладают белки. В цитоплазме располагаются ядро и различные органоиды. В ней сосредоточены и разнообразные включения - продукты клеточной деятельности, вакуоли, а также мельчайшие трубочки и нити, образующие скелет клетки. В цитоплазме протекают основные процессы обмена веществ, она объединяет в одно целое ядро и все органоиды, обеспечивает их взаимодействие, деятельность клетки как единой целостной живой системы.

К органоидам клетки относятся:

Рибосомы. Рибосомы обнаружены в клетках всех организмов. Это микроскопические тельца округлой формы диаметром 15-20 нм. В одной клетке содержится много тысяч рибосом. В состав рибосом входят белки и РНК. Функция рибосом - это синтез белка, сложный процесс, который осуществляется не одной рибосомой, а целой группой, включающей до нескольких десятков объединенных рибосом.

Митохондрии. В цитоплазме большинства клеток животных и растений содержатся мелкие тельца (0,2-7 мкм) - митохондрии. Митохондрии называют «силовыми станциями» клеток» так как их основная функция - синтез аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Эта кислота представляет собой универсальный источник энергии, необходимый для осуществления процессов жизнедеятельности клетки и целого организма. Новые митохондрии образуются делением уже существующих в клетке митохондрий.

Пластиды. В цитоплазме клеток всех растений находятся пластиды. В клетках животных пластиды отсутствуют. Различают три основных типа пластид: зеленые - хлоропласты; красные, оранжевые и желтые - хромопласты; бесцветные - лейкопласты.

Хлоропласты содержатся в клетках листьев и других зеленых органов растений, а также у разнообразных водорослей. Размеры хлоропластов 4-6 мкм. У высших растений в одной клетке обычно бывает несколько десятков хлоропластов. Зеленый цвет хлоропластов зависит от содержания в них пигмента хлорофилла. Xлоропласт - основной органоид клеток растений, в котором происходит фотосинтез.

Хромопласты находятся в цитоплазме клеток разных частей растений: в цветках, плодах, стеблях, листьях. Присутствием хромопластов объясняется желтая, оранжевая и красная окраска венчиков цветков, плодов, осенних листьев.

Лейкопласты находятся в цитоплазме клеток неокрашенных частей растений, например в стеблях, корнях, клубнях.

Хлоропласты, хромопласты и лейкопласты способны к взаимному переходу. Так при созревании плодов или изменении окраски листьев осенью хлоропласты превращаются в хромопласты, а лейкопласты могут превращаться в хлоропласты, например, при позеленении клубней картофеля.

Лизосомы. Представляют собой небольшие округлые тельца. От цитоплазмы каждая лизосома отграничена мембраной. Внутри лизосомы находятся ферменты, расщепляющие белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты.

Клеточные включения. К клеточным включениям относятся углеводы, жиры и белки. Все эти вещества накапливаются в цитоплазме клетки в виде капель и зерен различной величины и формы. Они периодически синтезируются в клетке и используются в процессе обмена веществ.

Каждая клетка одноклеточных и многоклеточных животных, а также растений содержит ядро. Форма и размеры ядра зависят от формы и размера клеток. В большинстве клеток имеется одно ядро, и такие клетки называют одноядерными. Существуют также клетки с двумя, тремя, с несколькими десятками и даже сотнями ядер.

В микроскопической клетке содержится множество веществ, которые участвуют в разнообразных химических реакциях. Химические процессы, протекающие в клетке,- одно из основных условий ее жизни, развития и функционирования. Все клетки животных и растительных организмов, а также микроорганизмов сходны по химическому составу, что свидетельствует о единстве органического мира.

Содержание химических элементов в клетке

В таблице приведены данные об элементном составе клеток. Из 118 элементов периодической системы Менделеева в клетках обнаружено значительное их количество. Особенно велико содержание в клетке четырех элементов - кислорода, углерода, азота и водорода. В сумме они составляют почти 98 % всего содержимого клетки. Следующую группу составляют восемь элементов, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Это сера, фосфор, хлор, калий, магний, натрий, кальций, железо. В сумме они составляют 1,9 %. Все остальные элементы содержатся в клетке в исключительно малых количествах (меньше 0,01 %). Таким образом, в клетке нет каких-нибудь особенных элементов, характерных только для живой природы. Это указывает на связь и единство живой и неживой природы. На атомном уровне различий между химическим составом органического и неорганического мира нет. Различия обнаруживаются на более высоком уровне организации - молекулярном.