Уважаемые любители астрономии! В результате чего возникла жизнь на Земле? По естественному ходу эволюции или из-за вмешательства инопланетян! Предлагаем вашему вниманию еще один взгляд на проблему возникновения жизни на Земле. Статья была впервые опубликована в журнале "Земля и Вселенная" № 1 за 1979 год.

Доктор физико-математических наук, Л. М. МУХИН.

Как возникла жизнь на Земле! В результате неповторимой "счастливой случайности" или это было закономерное событие?

Прошло около 50 лет с того времени, когда академик А. И. Опарин и несколько позднее английский биолог Дж. Холдейн предложили принципиально новый подход к решению проблемы происхождения жизни на Земле.

А. И. Опарин и Дж. Холдейн выдвинули гипотезу о постепенной эволюции простых органических соединений, которые образовались на примитивной Земле из газов, составляющих атмосферу, под воздействием различных источников энергии. (Примитивная Земля - это Земля без жизни такой она была примерно 4 млрд. лет тому назад. То же самое можно сказать и о примитивном океане.) Именно эти соединения послужили основой для возникновения более сложных соединений и организмов. Одно из главных достоинств этой гипотезы - возможность ее экспериментальной проверки.

Теория Опарина-Холдейна стимулировала проведение большого числа экспериментов, иллюстрирующих возможные пути эволюции органических соединений в условиях примитивной Земли. Вплоть до настоящего времени теоретические положения А. И, Опарина и Дж. Холдейна продолжают получать надежные экспериментальные подтверждения. Особый интерес представляют результаты астрономических методов наблюдений, которые свидетельствуют о наличии в космосе предшественников сложных органических молекул.

В решении проблемы происхождения жизни на Земле наиболее существенны два направления. Во-первых, разработка непротиворечащих планетной космогонии, химии и биологии моделей получения органических соединений искусственным, не биологическим путем и, во-вторых, исследование возникновения и эволюции генетического аппарата.

Сейчас принято считать, что мономеры - предшественники сложных органических молекул - синтезировались в атмосфере примитивной Земли в основном под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца. Так ли это? Не будет ли ультрафиолетовое излучение их разрушать? Оценим вероятность процесса разрушения органических молекул в атмосфере примитивной Земли с учетом турбулентности атмосферы.

Если предположить, что концентрация озона на примитивной Земле составляла приблизительно 0,01 современной, то поток ультрафиолетового излучения с длиной волны около 3000 А на поверхности Земли был равен 10¹⁵ фотонов o см2 o с-', а поток с длиной волны около 1700 А- 5*10¹¹ фотонов o см² o с-1. Энергия ультрафиолетовой радиации с такими длинами волн'-7,3 и 4,13 эВ, соответственно. Однако из органической химии известно, что энергия наиболее важных химических связей составляет от 8,4 до 3,6 эВ. Следовательно, ультрафиолетовая радиация Солнца будет разрушать синтезированные органические молекулы. Возьмем, например, достаточно простое органическое соединение- формальдегид. Время жизни этой молекулы в-атмосфере (до ее разрушения квантом ультрафиолетового излучения примерно 10⁴ с. Из слоя атмосферы незначительной толщины (примерно 300 м) образовавшиеся молекулы смогут без разрушения достигать поверхности воды.

Перенос молекулы из более высоких слоев атмосферы в океан из-за турбулентности в атмосфере происходит за 2*10⁷ с, так что молекула будет разрушаться прежде, чем достигнет поверхности океана. Из-за сильного перемешивания в верхнем слое океана молекулы будут разрушаться и в океане, но этот процесс менее интенсивен, чем разрушение-в атмосфере. Процесс фотодиссоциации (диссоциация - распад молекул на составные части) понижает концентрацию органических соединений o примитивном океане еще на три порядкв. Очевидно, такие разбавленные растворы не могли играть сколько-нибудь серьезной роли в процессах. добиологической химии.

Если проанализировать состав газов, выделявшихся при нагревании из древних пород Земли, метеоритов, лунного вещества, то станет ясно, что основные компоненты-это-пары воды, углекислый газ, водород, азот и окись углерода. В отсутствие заметных концентраций метана, аммиака и водорода синтезы органических молекул в смеси, отвечающей составу первичной атмосферы (Н₂0, СОз, Ns, Аг, СО), затруднены в сравнении с синтезами в смесях, содержащих восстановленные компоненты (СН₄, МН, Нг). Эти аргументы заставляют нас обратиться к рассмотрению вулканических процессов на примитивной Земле. По всей видимости, только существенно неравновесные процессы в некоторых участках могли обеспечить эволюцию органических соединений в условиях примитивной Земли. Каковы же основные характеристики вулканических районов, в которых условия для синтеза и последующей эволюции органических молекул были наиболее благоприятны?

Палеогеологические исследования принесли сведения о том, что в районе Канадского щита существуют следы вулканической деятельности уже в раннем докембрии (около 2,5 млрд. лет тому назад). Можно считать, что вулканизм - постоянно действующий геологический фактор, и не исключено, что на ранних стадиях развития Земли вулканическая активность была значительно выше, чем сегодня. Время жизни активных вулканов и гидротермальных систем от 1000 до 100 тыс. лет. Вулкан не только источник энергии, но и поставщик компонентов, необходимых для синтеза органических молекул, причем в зоне извержения локальная концентрация таких соединений, как метан, водород и аммиак, может быть на много порядков выше, чем в среднем для всей атмосферы. Тепловая энергия в зоне извержения также существенно выше, чем, например, энергия ультрафиолетового излучения Солнца, распределенная по всей поверхности Земли, В зонах подводного вулканизма и гидротерм в силу значительных градиентов температуры и давления создаются условия, благоприятные для "закалки" (сохранения) синтезированных органических молекул. Многочисленные природные катализаторы и сорбенты могут способствовать накоплению и дальнейшей эволюции органических соединений. В то же время процессами фотохимического разрушения в зонах подводных извержений можно пренебречь.

Если сравнить процессы подводного и наземного вулканизма, то легко заметить явные преимущества подводного извержения для синтезе органических молекул. При подводном извержении истечение газовой струи происходит в более плотную среду (на достаточных глубинах), поэтому дальнобойность струи у подводного вулкана приблизительно в 100 раз ниже. Это означает, что вблизи жерла вулкана концентрации исходных продуктов для синтеза будут значительно выше под водой, чем на Земле.

Ориентировочно оценим эффективность вулканов как источников органического вещества. Если при извержении выбрасывается около миллиарда кубических метров газа (90% воды и 10% других реакционноспособных компонентов), то в результате одного извержения может образоваться около миллиона килограммов органических соединений. Принимая, что гидротермальная система (время жизни 10 тыс. лет) производит 100 кг водяного пара в секунду или 1 кг в секунду других реакционноспособных газов, будем считать, что подобная система за время своей жизни произведет до 10 млн. кг органических соединений. Экстраполируя эти значения на время существования Земли-10^⁹ лет, получаем, что только за счет вулканической деятельности на поверхности примитивной Земли могло образоваться 10^¹⁵ - 10^¹⁶ кг органического вещества, что всего в 100-1000 раз меньше массы современной биосферы. Конечно, эти оценки носят иллюстративный характер.

Тем не менее они могут быть приняты в качестве нижнего предела, поскольку анализ палеовулканических данных свидетельствует о значительно большей насыщенности древних пород газами, чем молодых.

Кроме того, некоторые исследователи склоняются к той точке зрения, что основная месса атмосферы образовалась за непродолжительный отрезок времени (5*10^⁸ лет) и, следовательно, нынешние темпы дегазации мантии Земли значительно ниже, чем миллиарды лет тому назад. Интересна экспериментальная проверка предложенной гипотезы о роли вулканических процессов в синтезе органических молекул в условиях примитивной Земли, Открытие в горячей лаве вулкана Алаид цианистого водорода - ключевого промежуточного продукта в синтезе биологически важных молекул, а также других органических соединений в районах проявления вулканизма - свидетельствует в пользу этой гипотезы.

Таким образом, вопрос о возможности накопления на примитивной Земле достаточного количества исходных органических молекул не кажется сегодня непреодолимым. Более серьезные трудности возникают при переходе к проблеме динамического развития живых систем.

Согласно теории Опарина - Холдейна, жизнь возникла в результате постепенного усложнения и отбора органических соединений, приобретения ими в процессе естественного эволюционного накопления новых функций. Этот постулат-выражение принципа непрерывности, согласно которому каждую ступень эволюции можно рассматривать как прямое следствие предыдущей. Руководствуясь этим принципом, нетрудно продемонстрировать возможность последовательного образования достаточно сложных молекул - предшественниц современных белков - полипептидов из более простых соединений. Однако возникают существенные трудности при решении проблемы генетического кода. Во всех живых организмах, начиная с бактерий и кончая человеком, закодирована информация о построении белковых молекул. Эта информация хранится в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Известно, что белок, входящий а состав бактерии, дерева, животного, кодируется в молекулах ДНК совершенно одинаково, В этом заключается универсальность генетического кода, означающая, что в течение приблизительно трех миллиардов лет генетический код не претерпел никаких изменений. Фантастически сложный процесс синтеза белка, происходящий в любом живом организме, есть результат длительной эволюции. Однако код универсален, механизмы-предшественники утеряны, и невозможность построения эволюционной схемы развития генетического кода составляет сегодня главную проблему всей биологии.

Хорошо известно, что аминокислоты-основные строительные блоки, из которых состоит белок. Точно так же нуклеиновые кислоты-носители генетической информации - состоят из более простых субъединиц. Основа их-азотистые основания. При синтезе белка в живых организмах каждой комбинации из трех азотистых оснований (триплет) соответствует определенная аминокислота. Однако во всех экспериментах по химическому синтезу органических молекул выход азотистых оснований всегда меньше выхода аминокислот; условия для синтеза каждого из оснований отличаются от условий синтеза любого другого. Кроме того, в определенных условиях эксперимента всегда возникает семейство аминокислот, основания же образуются в одиночку. Заметим, что в то время, как поликонденсация (образование полимера) аминокислот-это уравнительно простой процесс, аналогичные эксперименты с производными азотистых оснований гораздо сложнее. Это одна из наиболее серьезных трудностей в проблеме происхождения жизни.

Наиболее характерный признак живого - размножение, молекулярной основой которого служит репликация молекул ДНК, то есть образование копий (реплик) этих молекул в материнской клетке.

Современные процессы репликации, синтеза генетического материала и синтеза белка происходят в растворах, концентрация органических соединений в которых весьма высока. Трудно ожидать, что где-нибудь на примитивной Земле могли существовать области, в которых достигались бы аналогичные концентрации. По всей видимости, процессы репликации генетического материала и синтеза белка могли происходить более или менее не случайно лишь в концентрированных растворах. Только при достижении некоей критической концентрации, аналогичной "критической массе" а ядерной физике, могли протекать процессы воспроизведения молекул и организмов.

По нашему мнению, уникальное свойство живых систем - воспроизведение-возникло позже, чем протоклетка, и ему предшествовала длительная эволюция. Эта упрощенная схема не отвечает, конечно, на вопросы о том, как осуществляется контроль воспроизведения ДНК в клетке, как возник механизм контроля, каким образом осуществляется удивительная надежность при образовании копий?

Наибольшая трудность в разрешении проблемы происхождения жизни заключается в "создании замкнутой системы, органически включающей все управляющие и исполнительные механизмы процессов воспроизведения. Видимо, поэтому сейчас и возникают идеи о "внеземном" происхождении "земной" жизни.

Так, сравнительно недавно, Ф. Крик и Л. Оргел предложили модель направленной панспермии, которая" объясняет происхождение жизни на Земле целенаправленной деятельностью цивилизаций, возраст которых больше возраста Солнца. Эта идея не решает проблемы возникновения жизни в целом. Точка зрения Крика и Оргела основана на том, что могли существовать планеты иного типа, чем Земля, где зарождение жизни было гораздо более вероятным. На этих планетах могли присутствовать минералы, отсутствующие на Земле, чья каталитическая активность особенно важна для возникновения живых систем. И что особенно важно, такие планеты могли существовать задолго до образования Земли.

Действительно, время существования Галактики оценивается в 13*10⁹ лет, а спустя 2*10⁹ лет после образования Галактики могли появиться звезды, которые содержали не только легкие, но и тяжелые элементы. Таким образом, за 6,5*10⁹ лет до появления нашей Солнечной системы могли возникнуть планетные системы. Поскольку время, в течение которого на Земле появилась технологически развитая цивилизация, около 4*10⁹ лет, то до образования Земли как планеты в Галактике могли существовать высокоразвитые технологические цивилизации.

На основании этих астрофизических данных авторы предполагают, что жизнь на Земле возникла в результате заражения нашей планеты микроорганизмами, специально посланными высокоразвитой цивилизацией для осеменения планет, потенциально пригодных для жизни. Исходя из возможностей нашей цивилизации, нетрудно убедиться, что создание такого космического корабля-вполне реальная задача.

В защиту своей позиции Крик и Оргел выдвигают следующие аргументы. Химический состав живых систем должен, хотя бы в некоторой степени, отражать условия их возникновения и развития. Поэтому наличие в земных формах жизни редких элементов может свидетельствовать об их внеземном происхождении. Авторы считают, что молибден является свидетелем внеземного происхождения нашей земной жизни. Процентные содержания хрома, никеля и молибдена составляют на Земле 0,2, 3,16 и 0,02%, соответственно. В то время как первые два элемента не играют в биохимии практически никакой роли, молибден принимает участие во многих биохимических реакциях. Если бы удалось показать, что элементы, представленные в земных организмах, коррелируют с обилием элементов в "молибденовых" звездах, это послужило бы серьезным доказательством в пользу выдвигаемой гипотезы. Однако этот аргумент не выдерживает критики потому, что нужно рассматривать не процентное содержание элементов, в степень их концентрации в живых системах, сравнивая ее с концентрациями в земной коре или морской воде. Тогда оказывается, что молибден не занимает никакого особого положения в земных организмах в сравнении, например, с фосфором.

Гораздо более серьезный аргумент в пользу гипотезы направленной панспермии-проблемы универсальности генетического кода. Поскольку в настоящее время не существует полной теории, объясняющей возникновение кода и его универсальность, гипотеза направленной панспермии, постулирующая происхождение всех форм земной жизни от одного внеземного микроорганизма, наиболее легко и естественно "расправляется" с этой загадкой.

Сopyright 2002-2024 © Сайт "Галактика" • Проект "Астрономическая энциклопедия" • Идея, дизайн, хостинг, веб-мастер сайта - Кременчуцкий Александр, Москва.