Зарождение жизни. Гипотеза А. И. Опарина

   Возникновение жизни — процесс превращения неживой природы в живую. Аристотель, которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения жизни. Согласно этой гипотезе, определённые «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. С распространением христианства теория спонтанного зарождения жизни оказалась не в чести, но эта идея продолжала существовать в умах в течение ещё многих веков.
   В 1924 году советский биолог Александр Иванович Опарин выдвинул теорию о возникновении жизни на Земле через превращение, в ходе постепенной химической эволюции, молекул, содержащих углерод, в первичный бульон, который предположительно существовал в мелких водоёмах Земли 4 млрд. лет назад и образовался под воздействием электрических разрядов, высокой температуры и космического излучения. При этом атмосфера Земли в то время не содержала кислорода.
   Согласно его теории процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделён на три этапа: возникновение органических веществ, возникновение белков, возникновение белковых тел.

  На Земле совпало несколько благоприятных обстоятельств и она оказалась идеально подготовленной к тому, чтобы стать колыбелью жизни. Далеко не каждая звезда становится Солнцем, окруженным планетами. Стоило туманности медленнее вращаться, не возникла бы центробежная сила, не оторвались бы клочки от центрального сгустка, не возникли бы планеты. И плыла бы такая одинокая "бездетная" звезда в чёрной бездне, бесплодно расточая своё тепло и свет... Далеко не всякая звезда, породившая планеты, способна создать на них условия, пригодные для зарождения жизни. Для зарождения и развития жизни нужно очень много времени, миллиарды лет. Всё это время звезда должно гореть ровно, спокойно, одинаково. Тогда условия на планете будут постоянными - и жизнь сможет к ним приспособиться. А ведь звезды далеко не такие не все такие спокойные, как наше Солнце. Молодые звезды иногда вспыхивают. Волна испепеляющего жара обрушивается на окружающие планеты, сжигая, испаряя все, что способно гореть и кипеть. Жизнь на планете после такого огненного урагана, безусловно, погибнет, и на пустом голом шаре надо будет начинать все сначала. Для развития жизни нужна спокойная звезда. Наше Солнце - спокойная звезда. Но поставьте нашу Землю ближе к Солнцу, например, на место Меркурия или Венеры. От нестерпимой жары на Земле даже не смогут образоваться океаны. Вода сразу выкипит. Какая уж тут жизнь. Отодвиньте Землю дальше от Солнца, куда-нибудь в район Юпитера. Тоже жизнь не возникнет. Вода - основа жизни будет там всегда замерзшей. Нам повезло ещё в том, что орбита Земли круговая, а ведь могла быть эллиптическая. Вот представьте себе, что Земля то приближается к Солнцу так близко, что вода с её поверхности вся испаряется, то удаляется так далеко, что вода, выпав из атмосферы обратно на Землю, промерзает насквозь. Через "комфортное" место, где температуры "в самый раз", она проносится дважды в год с такой стремительностью, что "ничего не успеть сделать". Для зарождения и развития жизни просто нет времени. Подобный жар-холод может быть не только от эллиптичности орбиты. Бывают "двойные звезды". Тогда при любой орбите планета не может всегда быть на равном расстоянии от источника тепла. То одно солнце близко, то другое, то оба далеко. Нам повезло и в смысле размера нашей планеты. Будь она меньше, например, размером с Луну, не удержать ей на себе атмосферу. А значит, и воду, склонную испарятся, переходя в атмосферу. Сколько бы вулканы не подбрасывали все новые и новые порции газов и воды, всё это быстро улетучится в космос. На Луне поэтому и нет ни атмосферы, ни воды, ни жизни. Неудобна для жизни и Земля, размером, скажем с Юпитер. Неудобна из-за слишком сильного притяжения. Такая большая "Земля" будет держать на себе слой очень густой атмосферы, содержащей к тому же водород и гелий, неблагоприятные для возникновения жизни. Толстый слой очень плотных облаков создаст на такой планете вечный мрак. А без живительных солнечных лучей какая может быть жизнь? Одним словом, когда мы глядим на небо, усыпанное звездами, не надо забывать, что, во-первых, вероятно, далеко не все звезды имеют планеты, а во-вторых, далеко не все планеты пригодны для жизни. Но... звезд в нашей галактике примерно 100 миллиардов, и уж наверное, в ней достаточно планет, похожих на Землю.

  Задолго до того, как мы установим контакт с другими разумными существами, обитающими где-либо в галактике, мы должны понять не только то место, которое мы занимаем, но и пройденный нами долгий путь.
                                                                                Джон Бернал
  Планета Земля. Она имеет океан. Представим его себе. Реки, впадающие в него, сначала текут по склонам гор, по пути кроша горные породы, и все, что могут, выносят с собой в океан. Атмосфера над океаном насыщена вулканическими газами, пылью, пеплом. Волны, разлетаясь брызгами, захватывают всё это в свои глубины. В результате вода в первозданном океане горько-соленая, мутная. Она - настоящий "бульон", столько здесь всего перемешано и растворено. Здесь можно встретить почти все элементы таблицы Менделеева. Особенно много тех, которые необходимы для создания живых существ. Теплая вода обеспечивает молекулам и атомам хорошую подвижность, перемешивание, контакты между собой в самых разных сочетаниях. Но для химических реакций этого мало. Для них часто бывает нужна "внешняя" сила. Толчок извне может помочь атомам и молекулам соединиться, может разбить молекулы на части. Химики для ускорения реакций часто применяют нагрев. Подобным же образом действует и природа. Для этого работают не только частички света - фотоны, но и "космические лучи" - осколки атомов, выброшенные далекими звёздами, которые круглые сутки проносятся сквозь атмосферу и вонзаются в толщу океана. Их удары особенно сильны и больше годятся для разбивания молекул.

  Небо заволокли черные тучи. В них и в воде накапливаются электрические разряды. Они рванулись навстречу друг другу. Ослепительная вспышка молнии озарила волны и прибрежные скалы. А в толще воды при этом резко метнулись молекулы, сшиблись друг с другом. Некоторые от ударов развалились. Зато другие, наоборот, соединились. Стихла гроза. Наступила ночь. Далеко от берега на дне океана пробудился дремавший вулкан. Горячие газы, вырвавшись из его жерла, растворились в воде, насытив её новыми порциями углекислоты, метана, аммиака, сернистого газа. Из недр планеты пошла в чёрную пучину огненная лава. Вспыхнула красным заревом, закипела вода. Тучи ослепительно сверкающих пузырей устремились вверх. Забурлили, засветились изнутри в мраке ночи черные волны. Густые облака пара накрыли их. "Бульон" над вулканом стал горячее и гуще. Целыми кучами поплыли новые, причудливые "комки" атомов - только что возникшие крупные молекулы...

  Океанские волны без конца перемешивают, переставляют атомы, по-разному комбинируют их. Молекулы создаются и распадаются. Снова и снова в каждой капле океана повторяются миллиарды раз уже испробованные и не оправдавшие себя сочетания. Неужели в таких условиях возможна хоть какая-то эволюция? Возможна. Сами собой, без всякого плана или системы, создаются разные, какие получатся, варианты молекул. А потом испытываются. Наверху, в небе, разыгралась гроза. И мы видим, как при вспышке молний, шарахнувшись, разваливаются, рассыпаются все слабо связанные молекулы. А те, что выдержали эту проверку на прочность, остаются. Уже на этом этапе химической эволюции вещества работает своеобразный "естественный отбор". Эволюция идёт в направлении создания всё более сложных и при этом прочных молекул, обладающих все новыми и новыми свойствами. А это приближает возможность нащупать в дальнейшем такие формы и свойства молекул, которые сделают вещество существом. В химической эволюции вещества главную роль играют атомы углерода. Это особый, незаменимый элемент. Его атомы обладают поистине неисчерпаемыми "потенциальными возможностями". Они четырехвалентны (т.е. очень высокая способность присоединять атомы и молекулы других химических элементов), что в атомном мире редкость. Цепляясь друг за друга, они могут образовывать молекулы в виде колец или цепочек, при этом прихватывая другие атомы или молекулы. И тогда кольца и цепочки обрастают "гроздьями", создаются грандиозные, сложнейшие молекулы в виде ветвящихся деревьев, насчитывающие в своем составе многие тысячи атомов самых различных элементов. Сегодня таких молекул в природе бесчисленное множество вариантов. Но пока они еще не создались. В первозданном океане идут эксперименты. Фронт работы широчайший - весь океан. Атомов - сколько угодно. Времени - сотни миллионов лет. И вот нет-нет, где-то получается что-то интересное. Возникает совершенно случайно какая-нибудь новая комбинация атомов, обладающих прогрессивными свойствами. И значит, крохотный шаг к появлению жизни сделан. Делая, может быть, всего по одному такому шагу за тысячи лет, природа за миллиард лет все же дошла до возникновения жизни. Попробуем мысленно представить себе главные из этих шагов. Пропустим несколько миллионов лет и снова вернемся в первозданный океан. Кроме исходных крохотных и примитивных молекул, вроде метана, аммиака и углекислого газа, с которых всё началось, перед нами теперь плавает в воде множество совершенно новых, незнакомых комбинаций атомов. Появились, например, полимеры - длинные цепочки из молекул. Иногда одинаковых, иногда разных. Появились катализаторы. Это молекулы-помощники, молекулы-посредники, облегчающие перестройку других молекул. Через много миллионов лет мы видим, что простенькие полимеры стали полипептидами. Плывут длинные, сложные, ветвистые нити, состоящие из аминокислот. Их тысячи вариантов. Но самое поразительное - появился процесс копирования молекул - репликация. Это форменная эволюция. Раньше случайно возникшая комбинация атомов, существуя в одном экземпляре, не влияла на ход химической эволюции в целом. К тому же она могла в любой момент быть разбита шальной космической частицей и "изобретение" безвозвратно терялось. Теперь, при тиражировании молекул, "опыт" распространяется, а гибель некоторых экземпляров не представляет опасности.

  Репликация не тормозит прогресс, как это может показаться, заполняя океан однотипными молекулами. Дело в том, что при копировании иногда происходит сбой. Исходную молекулу или её матрицу может что-либо повредить. Например, блеснувшая вблизи молния. Получится "мутация", и травма начинает печататься во всех следующих копиях, дав начало новой серии молекул. "Мутанты" вовсе не всегда являются браком. Случается, что среди них находят ценные находки, обладающие преимуществами перед оригиналами. Поэтому, говоря шутливо, внешние силы не калечат молекулы, а вносят в них небольшие изменения, как бы с целью посмотреть: что получится? Результаты этих стихийных экспериментов природы оценивает практика. Естественный отбор беспощадно перечеркивает все миллионы "глупых" вариантов, оставляя лишь единица "умных". В итоге мутации способствуют увеличению разнообразия молекул и этим помогают идти химической эволюции вещества.
  Проходят ещё миллионы лет. Природа "нащупала" наилучшие последовательности аминокислот в цепочках полипептидов - появились белковые молекулы - будущие кирпичи живых организмов. Усложнилась и стала совершеннее репликация. Матрица теперь уже не механическая форма, а условная, химическая "запись" порядка аминокислот в белковой молекуле. Запись в виде портативной цепочки особых молекул - нуклеотидов. Эволюция вещества поднимается на новый уровень. Длинные, причудливо изогнутые нити разных белковых молекул цепляются друг за друга и понемногу собираются. Сначала в небольшие комочки, потом в более крупные комки, похожие на клубки или капли. У молекул, тесно соприкоснувшихся в комке, разные свойства. Иногда это приводит к возможности своеобразного их сотрудничества. Например, катализаторы, оказавшиеся в гуще молекул, могут способствовать реакциям, полезным для комка в целом. Иначе говоря, комки белковых молекул оказываются в ряде случаев "системами", способными к какой-то внутренней деятельности. Но система системе рознь. И конечно, начинается долгий путь поисков наиболее удачных сочетаний молекул в них. Удачнее, например, те, в которых снаружи расположились особо прочные молекулы. Они служат механической защитой остальным. Удачнее те, в которых включены молекулы, способные реагировать на опасные примеси в воде. Они служат химической защитой. Но наиболее интересны те варианты ,в которых оказался хороший набор катализаторов. Теперь, правда, их нужно называть ферментами. В этих комках начинается более или менее активный "обмен веществ" с окружающей средой. Идет захват материала, расщепление молекул, иногда даже с выделением энергии, выбрасывание отходов, восстановление поврежденных молекул. Даже репликация - синтез белковых цепочек. Обмен веществ - свойство очень прогрессивное. Такой комок оказывается очень устойчивым перед разными разрушающими внешними воздействиями, независимым, прочным, долговечным. При большой сложности он становится очень живучим - то, к чему стремится химическая эволюция. Вещество в нем, в сущности, приобрело некоторые свойства живого! Эволюция белковых молекул приводит к их специализации. В одних, например, лучше идут реакции с получением энергии, другие чётко реагируют на изменения температуры, в третьих хорошо налажена репликация. И если мы снова пропустим миллионы лет, то обнаружим в океане ещё более "гигантские" сооружения, в каждом из которых миллионы молекул. Разные типы комков вошли в них в виде отдельных деталей. Сейчас биологи называют эти детали органеллами. А всё сооружение в целом - одноклеточным организмом!
  Вспомним предысторию жизни. Атомы - молекулы - полимеры - органеллы - одноклеточные существа. Всё идет в направлении от простого к сложному, к разнообразию структур, форм, свойств. В живых организмах добавилось важнейшее новое - могучее стремление к самосохранению, к долговечности. Нужны улучшенная защищенность, более хорошая вооруженность в борьбе за существование. Объединяясь, клетки этого достигают. Борьба за существование, в частности, способствует увеличению разнообразия форм в животном мире. Иногда куда выгоднее не вступать в бой с врагом, а просто уйти в другую "экологическую нишу", переменить образ жизни так, чтобы, даже оставаясь на том же участке земли, никогда и не в чём не соприкасаться с врагом. Перестать соперничать с ним. Не иметь с ним ничего общего. Противопоставить сопернику не силу, а какое-то совершенно особое качество, которое даёт новые возможности к существованию. Пройдет ещё очень много времени и на Земле появится человек. Появится, и изменит мир в котором живет. Он научится наблюдать за звёздами, за планетами Солнечной системы, строить космические аппараты и запускать их в космос. Многие из этих аппаратов садятся на поверхности планет и возвращаются обратно.

  Человечество достигло таких успехов в астрономии, технике, связи, кибернетике, которые создали реальные технические предпосылки для установления связи с разумной жизнью других миров.
                                                                       Академик В. А. Амбарцумян
  Плоды нашей деятельности уже заметны из космоса. Это подтверждают космонавты, различающие с орбитальных станций даже шоссейные и железные дороги, мосты, корабли в море. Они видят это невооруженным глазом, а значит, с Луны то же самое можно увидеть в тысячекратный телескоп, какие стоят в наших обсерваториях. Марсиане, если бы они существовали, даже вооруженные техникой, равноценной нашей, без особого труда обнаружили бы наши города, дымы промышленности, космические аппараты, испытания атомных бомб. При более пристальном наблюдении они заметили бы искусственные моря и оросительные каналы. Ну а работу телевизионных станций можно обнаружить и с других планетных систем. Люди в мире звёзд. Цивилизация. Сообщество разумных существ, выросшее за миллиарды лет из комочков слизи, копошащихся в мутных лужах. Разумных существ, проникших в глубины атома и в дали Вселенной, познавших строение звёзд и тайну живой клетки, постигших законы своей эволюции!

  В каждую эпоху люди в своих мечтах решали проблему контактов с инопланетянами, исходя из техники своего времени. Вплоть до XVIII века люди полагали, что для полёта к звёздам достаточно будет энергии мышц, своих и домашних животных. И поэтому, даже фантазируя, единственно что они могли предложить - это всего-навсего экипаж, запряженный... в стаю птиц. Что воздух кончится сразу, как "отлетишь от дома", наши далёкие предки не знали. Они не представляли себе и огромные расстояния, отделяющие нас от Луны и планет, не говоря уже о расстояниях до звезд. Потом, измерив эти расстояния и узнав, что небесные тела разделяет почти пустое, безвоздушное пространство, стали мечтать хотя бы о взаимной сигнализации.
  В XIX веке, всего каких-нибудь сто лет тому назад все серьезно верили в существование марсиан. И тогда вполне серьезно ученые выдвигали предположения об оптической связи с ними. Математик Карл Гаусс предлагал прорубить в сибирских лесах многометровую просеку в виде треугольника и засеять её пшеницей. Марсиане увидят в свои телескопы на фоне тёмно-зеленых лесов аккуратненький светлый треугольник, и поймут, что слепая природа не могла это сделать. Значит на этой планете живут разумные существа. Многим идея Гаусса понравилась, но, чтобы показать марсианам, что земляне высокообразованны, предлагали на сторонах треугольника сделать квадраты, чтобы получился рисунок теоремы Пифагора. Этот проект обладал заметными недостатками. Ведь Сибирь часто покрыта облаками и снегом, и треугольник может долго оставаться незамеченным марсианами. А главное, даже в хорошую погоду его можно будет видеть только днем. Поэтому более правильным показался проект венского астронома Йозефа Иоганна фон Литрова. Он предлагал в пустыне Сахара, где всегда безоблачно, вырыть каналы в виде правильных геометрических фигур (возможно теорему Пифагора). Стороны многоугольника должны быть по крайней мере тридцать километров. А ночью поверх воды налить керосин и поджечь. Огненные полосы прочертят на ночной стороне планеты яркий чертеж. Уж марсиане не могут его не заметить. Но и этот проект был отвергнут как очень дорогой. Француз Шарль Кро подсказал гораздо более дешёвый способ связи. Он посоветовал своему правительству соорудить огромную батарею зеркал для отражения солнечных лучей в сторону Марса. Зайчик, конечно, был бы ослепительно ярок. Проект Шарля Кро имел очень большое преимущество по сравнению с остальными. Зеркала можно шевелить, и тогда при взгляде с Марса ослепительная яркая точка на Земле подмигивала бы. И главное, мигание можно было передать марсианам сообщение. Наивно! А ведь это всё было совсем недавно, при жизни наших предков. Тем временем создаётся целый ряд научно-фантастических произведений, посвященных перемещениям между планетами. Наиболее известны из них "Из пушки на Луну" Жюль Верна и "Война миров" Герберта Уэллса.
  С развитием ракетной техники в послевоенные годы, а главное, запуск первого искусственного спутника Земли в 1957 году дали мощный толчок старым мечтам человечества о межпланетных перелётах. Хлынула целая лавина самых разнообразных научно-фантастических произведений. Полетав к Венере и Марсу, герои книг стали запросто летать к звездам, бороздя уже на огромных межзвездных кораблях бескрайние просторы Галактики, сражаясь с самой различной космической нечистью и злодеями. Но и тут снова, уже в который раз, строгий анализ охладил мечтателей. Современные ракеты, работающие на химическом топливе, изготавливаются из самых прочных и легких материалов, из двигателей "выжато" уже почти всё, но всё это делает пределом наших мечтаний полёт к Марсу или Венере. И всё же полёты в пределах Солнечной системы реальны. Но у нас нет надежды встретить здесь разумные существа. Есть шансы найти их в других планетных системах, около других звезд. Но о полёте к звёздам на современных ракетах говорить бессмысленно: полёт до ближайшей звезды (кроме Солнца) - Альфа Центавра будет длиться 80 тысяч лет при скорости 17 километров в секунду.

Нравится

Тридцатая школа