Тема: проблема происхождения жизни

Происхождение жизни на Земле – проблема чрезвычайной естественно-научной и философской важности, она занимает человечество уже много веков. Наибольшей известностью и признанием многих ученых пользуется теория академика А. И. Опарина (1968), выдвинутая им более 80 лет назад, согласно которой жизнь на Земле появилась как результат закономерной эволюции материи. В последние годы стали возможны уже экспериментальные подтверждения основ этой теории – модельные опыты по абиогенному синтезу простейших органических соединений. Альтернативная гипотеза направленной панспермии Ф. Крика и Л. Оргела (1974) выглядит на этом фоне, может быть, несколько фантастической. Ее нельзя ни подтвердить, ни экспериментально опровергнуть. Однако знакомство с ней небесполезно, ибо в ней отражается своеобразный путь мысли людей, ищущих ответы на самые сложные вопросы нашего существования.

Возникновение и эволюция биополимеров и их систем. Существуют разные представления об этом. Например, согласно классической концепции А.И. Опарина (1968), биополимеры возникали вследствие полимеризации органических мономеров, а затем интегрировались в коацерватные капли. В последних биополимеры (полипептиды, полинуклеотиды и др.) эволюционировали, подвергаясь естественнному отбору, формировали комплексы, позволявшие осуществлять коацерватам усложняющийся обмен веществ с окружающим «первичным бульоном». Так постепенно возникала клеточная организация жизни.

По мнению В.А. Ратнера (2002), непосредственно в процессе возникновения и расширения ранней Вселенной сложные формы материи, очевидно, были невозможны и относительно простые объекты реального мира свойствами управления не обладали: для формирования систем управления нужны определенные особенности составляющих их компонентов и минимальная сложность организации. Поэтому, полагает В.А. Ратнер, системы управления могли возникнуть только в процессе эволюции природы. Как он считает, наиболее ранними системами управления явились молекулярно-генетические системы управления (МГСУ), составившие основу биологической организации. Базисными компонентами МГСУ явились кодирующие биополимеры – ДНК, РНК, белки, обладающие фундаментальным свойством: их функции определяются порядком входящих в них мономеров.

Таким образом, МГСУ стали наиболее ранними по происхождению системами управления в природе: их появление ознаменовало возникновение земной жизни (протоклеток) примерно 3,5–4 млрд лет назад (Ратнер, 2002). Принципиально важным является утверждение В.А. Ратнера (2002) о том, что появление МГСУ и их виртуального мира произошло самопроизвольно, без внешнего «архитектора и строителя».

В 70-х годах прошлого века М. Эйген (1973) также представил модель возникновения на Земле первичных молекулярно-генетических систем: квазивидов – небольших последовательностей нуклеотидов (малых цепочек РНК), способных к саморепликации. По предположению М. Эйгена, в совокупностях («популяциях») квазивидов (среди которых должны были быть и мутанты) естественный отбор сохранял полинуклеотидные цепочки, обладавшие наибольшей скоростью репликации. Развивая эту гипотезу, М. Эйген и П. Шустер (1982) полагали, что точность копирования первых РНК была невелика, что обусловливало малую длину их цепочек и, соответственно, небольшой объем сохраняемой генетической информации. По мнению указанных исследователей (Эйген, Шустер, 1982), в процессе эволюции первичных полинуклеотидов могли возникнуть гиперциклы – своеобразные объединения цепочек РНК и полипептидов, выполнявших в этих системах каталитические функции. Это должно было повысить точность копирования полинуклеотидов и существенно увеличить объем генетической информации в системе, а ее циклическая организация могла обеспечить структурную стабильность кооперации полинуклеотидов и полипептидов.

Математическое моделирование эволюции гиперциклов (Редько, 1999) показало, что для эффективной конкуренции между собой различные гиперциклы должны были быть достаточно надежно обособлены, т.е. размещены в особых компартментах, в частности аналогичных коацерватам А.И. Опарина (1968). Это условие обеспечивает отбор гиперциклов с более эффективными полипептидами-катализаторами («ферментами»), позволяющими быстрее осуществлять самовоспроизведение гиперциклов. При этом коацерваты, содержащие гиперциклы, должны иметь внешнюю мембрану с избирательной проницаемостью, обеспечивающей проникновение в коацерват сравнительно небольших молекул (например, АТФ) и предотвращающей поступление в него макромолекул (полинуклеотидов и полипептидов). Несмотря на определенную кооперацию, матрицы и ферменты в гиперциклах значительно структурно-функционально разобщены, и это не могло способствовать дальнейшему совершенствованию гиперциклов как предбиологических систем. Поэтому, видимо, в процессе предбиологической эволюции должны были сформироваться молекулярно-генетические системы, организованные по типу сайзера. В.Г. Редько (1999) математически моделировал две эволюционные ситуации, предполагающие конкуренцию сайзеров 1) в гомогенной среде, без обособления в компартментах, и 2) внутри коацерватов. В первом случае моделирование показало эволюционный «застой» организации сайзеров, во втором случае наблюдался их прогресс. Обобщая данные по моделированию эволюции предбиологических систем, В.Г. Редько (1999) дал схему эволюции их этапов: квазивиды – гиперциклы – сайзеры – протоклетки – простейшие организмы (прокариоты).

При этом МГСУ обусловила самовоспроизведение базиса молекулярно-генетической организации клеток, всех других типов систем управления и их виртуальных миров. Дальнейшая эволюция МГСУ и биологической организации обусловливалась блочно-модульным принципом и естественным отбором и приводила к формированию иерархической организации разнообразных биосистем с все возрастающими и усложняющимися функциями, а вершиной этой иерархии стал мозг Metazoa – специализированная и быстродействующая система управления многоклеточной организацией, накопления опыта и анализа условий существования (Ратнер, 2002).

Основные учебные вопросы:

1. Развитие представлений о происхождении и природе жизни. Современные определения понятия «жизнь».

2. Химическая эволюция Земли. Происхождение земной коры, гидросферы и атмосферы, их дальнейшее развитие. Земля в период зарождения жизни.

Возникновение органически соединений, предшественников биополимеров.

3. Гипотезы процессов перехода от неживого к живому на Земле. Возникновение

первичных организмов (формирование ДНК, РНК, ферментов, аппарата белкового синтеза и т.д.).

4. Возникновение фотосинтеза. Насыщение атмосферы кислородом. Роль продуцентов, консументов и редуцентов в становлении биотического круговорота веществ.

5. Симбиогенез как один из важнейших факторов развития жизни (концепции происхождения эукариотических форм, их митохондрий, пластид). Формирование ауто- и демоценозов (симбиотическая парадигма). Проблема соотношения моно- и полифилии в развитии форм жизни.

6. Гипотезы происхождения жизни, альтернативные концепциям возникновения живого на Земле естественным путем (стихийная и направленная панспермия, креационизм). Гипотезы существования форм внеземной жизни (или её аналогов), оценка работ их поиска.

ЛИТЕРАТУРА

1. Астафьева М.М. Архей Карелии и бактериальная палеонтология // Эволюция биосферы и биоразнообразия. – М.: КМК, 2006. – С. 120–128. [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.evolbiol.ru/08astafieva.pdf