Происхождение и эволюция человека

21

1. Возникновение жизни на Земле

Все экологические ниши, пригодные для жизни, заняты биосферой. Возникла биосфера одновременно с возникновением жизни на Земле, первоначально (около 4 млрд. лет тому назад) в виде примитивных биоценозов (протобиоценозов) в первичном Мировом океане. Около 450 млн. лет назад биосфера начала занимать сушу, где, несмотря на гораздо более жесткие, чем в океане, экологические условия, эволюционировала в направлении максимального видового разнообразия. В результате соотношение числа видов животных и растений в Мировом океане и на суше составило в среднем 1: 5. Общая биомасса биосферы составляет около 85 - 100 млрд. т сухого органического вещества, в т.ч. в Мировом океане - 30 млрд. т.

Что касается возникновения жизни на земле и происхождения человека, то по этому вопросу ученые до сих пор не пришли к единому мнению. Существуют различные теории, имеющие свои доказательства правоты, и в то же время, многие ученые находят те или иные доводы, разрушающие эти теории.

Как возникла жизнь на Земле, как появились растения, животные и сам человек, всегда интересовало людей. Многие века и тысячелетия слагались красивые легенды, по своему объяснявшие эту тайну. Религии разных народов рассказывали о творческом могуществе Бога (бог Солнца, Иегова, Бог-Отец, Аллах), создавшего небо и землю, растения и животных, воды и человека. Философы и естествоиспытатели выдвигали различные гипотезы происхождения жизни. Некоторые из них считали, что жизнь вечна так же, как и мертвая природа: «Omnia vivum e vivo» (все живое из живого). Другие видя, как копошатся в испорченном мясе неизвестно откуда взявшиеся «червячки» - личинки мух, считали, что живые организмы, даже такие сложные как насекомые, способны «самозарождаться», появляться непосредственно из мертвой природы. Это мнение опровергнул Луи Пастер. Он доказал, что если в воду, бульон, мясо не попадут споры бактерий, растений, яйца насекомых и т.п., то никакого «самозарождения» не произойдет. В герметически закрытых сосудах, в стерилизованной среде живые организмы не появляются. Так как же и когда они возникли?

В ХХ веке развитие всех естественных наук привело к новым гипотезам в изучении происхождения жизни.

В 1924-1926 гг. В.И. Вернадский опубликовал свои первые труды о биосфере. В них он дал объяснение разнообразным фактам, наблюдениям над природой, наметил пути дальнейших исследований. Ученый обобщил все это, и в результате возникло целостное учение о биосфере.

Живые организмы разнообразны и распространены по всему земному шару в почве и в горячих источниках, на суше и в океане. В.И. Вернадский писал в книге «Биосфера»: «Живое вещество более или менее распределено на земной поверхности, оно образует на ней тонкий, но сплошной покров, в котором концентрирована свободная химическая энергия, выработанная им из энергии Солнца. Этот слой есть земная оболочка, биосфера, которая представляет одну из характерных черт организации нашей планеты». Понятие биосферы, т.е. области жизни, введено в биологию в начале ХIХ века знаменитым французским ученым Жаном Батистом Ламарком, а в геологию - в конце ХIХ века австрийским геологом Эдуардом Зюссом. Но учение о биосфере - тонком слое воздуха, в котором существует жизнь, - разработал В.И. Вернадский.

В.И. Вернадский отмечает наиболее характерные черты живой природы: ассиметрию составляющих их молекул и самих организмов (в отличие от строения кристаллов), огромное разнообразие форм и химическую активность.

Сущность своей концепции В.И. Вернадский объяснил так: «На земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».

Стоит вдуматься только в такие цифры: науке известно около 2500 видов минералов, около 200000 видов растений и более миллиона видов животных. Характеризуя химическую активность организмов, достаточно сказать, что, если участие в каких либо процессах приводит к растворению, изменению или гибели веществ мертвой природы, то для живых организмов обмен веществ - это необходимое условие существования. Ф. Энгельс определил характерные черты жизни так: «…жизнь… заключается по существу в постоянном самообновлении». В работе «Биосфера» В.И. Вернадский писал: «Всякое живое вещество… совокупность «молекулярных вихрей».» «Всякий организм… постоянно неудержимо захватывает прямо или косвенно лучистую энергию Солнца и превращает ее в свободную, т.е. способную производить в работу химическую энергию».

Огромное разнообразие живых организмов проявляется во всем: в величине - невидимые даже под микроскопом вирусы и огромный баобаб, достигающий 18-25 метров в высоту и 45 метров в окружности; в сроках жизни - бактерии, делящиеся каждые 15 минут, и тот же баобаб, живущий 4-5 тыс. лет; степени подвижности - неподвижные растения, прикрепленные ко дну, некоторые водные животные, например губки, и быстролетящие насекомые и птицы; сложности строения - бесклеточная амеба и организмы, состоящие из многих миллиардов различных клеток, работающих согласованно.

Необозримо различие форм и образа жизни живых существ. Тем не менее для всех них характерна общность основных процессов и общность строения молекул, лежащих в основе жизни: белков, нуклеиновых кислот и макроэргических фосфорных соединений, обеспечивающих энергию химических процессов (это главным образом АТФ - аденозинтрифосфат).

Белки и нуклеиновые кислоты имеют чрезвычайно сложное строение. Они состоят из десятков тысяч атомов; белки - из сотен молекул аминокислот, нуклеиновые кислоты - из нуклеотидов. В зависимости от порядка расположения этих составных частей создается возможность почти бесконечного разнообразия белков и нуклеиновых кислот.

Эти молекулы обеспечивают основные жизненные функции: белки-ферменты - обмен веществ, а нуклеиновые кислоты - передачу наследственной информации. Исследования последних десятилетий показали, что эти молекулы способны к самовоспроизведению. Этот принцип матричного синтеза, механизм образования основных жизненных молекул, общий у всех организмов - от амебы до человека.

Общность химического строения и химических процессов у всех организмов, населяющих Землю, говорит об общности происхождения, а разнообразие организмов свидетельствует о длительной эволюции, которую прошла жизнь на Земле.

Английский физик Джон Бернал, занимающийся сейчас и вопросами происхождения жизни, в предисловии к книге, посвященной этой проблеме, пишет: «Биохимия показала, что химические основы земной жизни едины, как бы ни было велико видовое разнообразие, основные механизмы с участием ферментов характерны для всех живых систем на Земле, так же как и многие специфические молекулы, например, гемоглобин и хлорофилл, или…аденозинтрифосфат, играющий ключевую роль в процессах жизнедеятельности». И дальше: «Все это говорит о том, что биология - это наука, изучающая поведение некоторых распространенных химических систем, встречающихся на нашей Земле, которые, хотя и существуют в различных модификациях (за счет чего и создается огромное многообразие типов организмов), в своей основе, однако, едины. В 1946 г. в Принстоне я имел интересную беседу по этому вопросу с Эйнштейном. Из этой беседы я вынес заключение, что жизни присущ еще один элемент, хотя логически и отличный от элементов физики, но ни в коем случае не мистический, это элемент истории. Все явления, изучаемые биологией, образуют непрерывную цепь событий, и каждое последующее звено нельзя объяснить, не принимая в расчет предыдущее. Единство жизни вытекает из всей ее истории и, следовательно, является отражением ее происхождения».

О необходимости исторического подхода при изучении явлений жизни писал еще Климент Аркадьевич Тимирязев в лекциях «Исторический метод в биологии». Он отмечал, что исторический подход диктуется наличием эволюции организмов, постепенным возникновением ныне живущих форм. Эта эволюция доказывается не только данными палеонтологии, но и физиологической и морфологической общностью между далекими, на первый взгляд, видами. К.А. Тимирязев говорил, что исторический подход - основное достижение биологии второй половины ХIХ века.

Для биологии второй половины ХIХ века характерен исторический подход и понимание общности организмов, трактуемых уже на молекулярном уровне.

Каковы же современные гипотезы происхождения жизни на Земле и какую роль в этом процессе мог играть естественный радиационный фон?

Вопрос происхождения жизни, т.е. превращение неживой природы в живую, является одним из кардинальных в биологической науке. Решение его еще далеко от завершения.

По вопросу происхождения жизни на Земле между учеными постоянно ведутся дискуссии. Одни считают, что жизнь на нашей планете имеет сугубо земное происхождение, другие высказываются в пользу ее космического происхождения. Да, в межзвездном пространстве открыто большое число органических молекул, которые, попав в благоприятные условия, могут дать начало зарождению жизни и на планете Земля, и на других.

В пользу космического происхождения жизни на Земле недавно высказались американские ученые Ф. Крик и Л. Оргель. Свое заключение они сделали на основе изучения пропорций содержания химических элементов в окружающей среде и в живых организмах. В результате исследований они установили, что пропорции, химических элементов, в частности содержание молибдена на Земле и в биологических системах, различны. В более старых, удаленных от нас звездных системах содержание молибдена гораздо выше. На основании этого они считают, что жизнь на Земле имеет внеземное происхождение.

Однако большинство ученых - биологов, биохимиков и геологов, занимающихся изучением происхождения жизни на нашей планете, считают, что наша жизнь имеет исключительно земное происхождение. Основоположником этой гипотезы является советский академик А.И. Опарин, обосновавший ее еще в двадцатых годах. По этой гипотезе, как будет показано ниже, земная жизнь зародилась в океане. Пропорции химических элементов в биологических системах и в морской воде не противоречат этой гипотезе. Ученые располагают и другими фактами, подтверждающими земное происхождение жизни. Однако наука развивается, накапливаются все новые факты. Способы, формы и условия возникновения жизни на Земле, по всей видимости, были бесконечно разнообразны. Переход от неживой материи к живой одновременно мог идти по нескольким параллельным направлениям. И только, возможно, какое-то одно из них привело к появлению жизни на нашей планете в такой форме, какую мы наблюдаем в настоящее время.

В проблеме зарождения жизни в соответствии с теорией А.И. Опарина выделяют химическую и биологическую эволюцию. Каждый из этих этапов является весьма сложным.

По оценкам ученых, жизнь в окружающей среде зародилась около 2,5-3 млрд. лет тому назад. Однако до сих пор, несмотря на выдающиеся достижения научно-технической мысли, человечество не может дать исчерпывающего ответа на этот вопрос. Долгое время считалось, что новые организмы могут возникать при разложении других организмов, что неживые вещества являются источником образования живых существ. Религия рассматривает появление жизни как результат нематериального начала «высшего духовного мира», «души мирового духа», «жизненной силы», «божественного разума», «творческого акта» и т.д. С религиозных позиций сама материя безжизненна и является лишь материалом для образования живых организмов. Жизнь зародилась только потому, утверждает религия, что Бог вдохнул в безжизненную плоть живую частичку божества, которая постоянно поддерживает все живое на Земле. Другая теория проповедует точку зрения, согласно которой жизнь на нашу планету занесена откуда-то извне, из мирового пространства и, таким образом, отрицает материальный и верховный характер происхождения вещества. Согласно этой теории человек - не продукт Земли, а внесенный из космоса, аллохтонный гость, полностью завладевший ныне пространством нашей планеты. Поэтому и разрушительное влияние его на окружающую среду обитания столь необозримо сильно и «враждебно», как это бывает обычно, когда иноземный вид вторгается в уже сложившиеся, веками слаженно функционирующие сбалансированные биоценозы.

Одной из распространенных является материалистическая концепция, объясняющая происхождение жизни как определенный и закономерный результат исторического развития материи. Классическое определение жизни дал Ф. Энгельс: «Жизнь - есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел… Повсюду, где мы встречаем жизнь, мы находим, что она связана с каким-либо белковым телом, и повсюду, где мы встречаем какое-либо белковое тело, не находящееся в процессе разложения, мы без исключения встречаем явления жизни».

Получившая распространение теория возникновения жизни на Земле, разработанная советским ученым А.Н. Опариным, строится на том, что жизнь возникла в результате эволюции углеродистых соединений, химической эволюции и перехода химической энергии в биологическую. А.Н. Опарин и американский ученый Г. Юри считают, что первичная атмосфера, а с ней и жизнь, стали возможными благодаря совместному влиянию газообразного водорода, водяного пара, соединений углерода и азота. Теория А.Н. Опарина подтверждается работами ученых разных стран по абиогенному синтезу.

Среди других выделяется теория американского ученого С. Фокса, который изучает микросферы, представляющие собой шаровидные образования, возникающие при растворении и последующей конденсации полученных им абиогенно белковоподобных веществ. В процессе синтеза этих веществ из аминокислот образуются гуанин и жирные кислоты, что позволяет считать микросферы интересным объектом для изучения одного из путей появления клеток. Возможным путем возникновения фазовообособленных систем органических веществ могло быть и спонтанное образование поверхностных пленок и элементарных мембран. Такое предположение высказывает английский ученый Р. Голдейкер.

С гипотезой о происхождении жизни, послужившей основой исследований, продолжающихся и в настоящее время, тогда еще совсем молодой советский биохимик Александр Иванович Опарин выступил в 1924 г. Прошедшие три четверти века позволили уточнить и экспериментально доказать отдельные положения его теории.

Сущность ее заключается в следующем. В настоящее время в земных условиях сложные соединения углерода - органические вещества - образуются в результате жизнедеятельности организмов.

Но в далекие геологические эпохи условия на поверхности нашей планеты были другие. В атмосфере Земли не было или почти не было кислорода. Кислород в атмосфере Земли - продукт жизнедеятельности - результат фотосинтеза, осуществляемого растениями. Первозданная атмосфера состояла из метана, паров воды, водорода, аммиака, окислов азота и углерода. Через эту атмосферу легко проникала коротковолновая ультрафиолетовая часть солнечного излучения, которая сейчас задерживается в верхних слоях атмосферы озоном. Иными были условия температуры. В насыщенной парами воды нагретой атмосфере древней Земли часто сверкали мощные электрические разряды - молнии; вероятно, было значительно интенсивнее ионизирующее излучение земных пород, возможно, был интенсивнее поток космического излучения. В этих условиях мог произойти и, по-видимому, произошел абиогенный, т.е. не связанный с деятельностью организмов, синтез ряда органических соединений. Молекулы этих соединений попадали в воду первичного океана или мелких водоемов суши и образовывали, по выражению Опарина, «первичный бульон» - первичную среду, в которой затем, в течение сотен миллионов лет, шел процесс возникновения жизни.

В «первичном бульоне» происходили процессы полимеризации, укрупнения, т.е. соединения нескольких или многих одинаковых молекул. Некоторые из этих полимеров могли объединяться в комплексы, состоящие из тысяч молекул, и выделяться из раствора как обособленные системы. Некоторые из таких капель могли поглощать какие-то вещества из окружающего раствора, ассимилировать их, а другие вещества, наоборот, выделять во вне, т.е. они приобретали свойства примитивного обмена веществ. При этом коацерватные капли могли расти и даже размножаться - капли, ставшие слишком большими, делились на две или больше частей. Такие образования А.И. Опарин называет «протобионтами», т.е. предшественниками живых организмов. Постепенно у части протобионтов усложнялась внутренняя пространственная структура, молекулярное строение исходных полинуклеотидов и белковоподобных полипептидов становилась более упорядоченным, обмен веществ - более сложным. Протобионты путем длительной эволюции и естественного отбора стали способны повторять, воспроизводить свою структуру и вступили на путь биологического развития.

Так, по мнению А.И. Опарина, предбиологические системы приобрели на довольно поздней стадии эволюции механизм точного самовоспроизведения, который характеризует весь современный мир живых существ.

Другие исследователи иначе представляют себе процесс возникновения жизни. Д. Бернал считаем, что образование первых органических веществ могло происходить не в водной среде, не в гидросфере Земли, а в результате конденсации газов на поверхности твердых частиц (железа и силикатной пыли), в том числе и в космосе. Энергию для этих процессов давали солнечные вспышки и космическое излучение. Он считает, что упорядоченные молекулы белков и нуклеиновых кислот могли образоваться на добиологическом этапе эволюции, в процессе, аналогичном процессу кристаллизации.

Однако все исследователи сходятся в основном положении: жизнь, живые организмы произошли из неживой природы, причем биологической эволюции предшествовал длительный период химической эволюции - период образования и усложнения молекул органических соединений. Это был естественный процесс, связанный с притоком энергии, который проходил в специфических условиях, отсутствующих сейчас на Земле. Многие из предполагаемых условий абиогенного образования органических молекул можно воспроизвести в лаборатории.

Первые эксперименты в этой области были поставлены только в 1952 г. Стенли Миллером. Он сконструировал аппарат, состоящий, по сути дела, из двух колб и холодильника. В нижнюю колбу Миллер налил воду, затем выкачал из всего аппарата воздух, который был заменен газовой смесью, состоящей из водорода, метана и аммиака. После чего Миллер начал подогревать воду в нижней колбе, водяные пары поднимались в верхнюю колбу, из нее поступали в холодильник, где конденсировались, а образовавшаяся вода вновь стекала в нижнюю колбу. Таким образом, был смонтирован процесс круговорота воды в природе. Когда в аппарате начался процесс циркуляции содержимого Миллер подал на электроды, предварительно вмонтированные внутри аппарата, напряжение и между ними стали возникать электрические разряды, подобные молнии. Спустя несколько дней вода, находящаяся в нижней колбе, стала заметно желтеть. Через две недели раствор стал совершенно коричневым. Разобрав аппарат и испарив воду Миллер получил сиропообразный остаток коричневого цвета. Путем химического анализа в остатке были обнаружены аминокислоты, органические кислоты, среди которых встречались и типичные для живых организмов вещества. Спустя десять лет уже не менее двадцати лабораторий мира изучали возможности абиотического образования органических веществ.

Страницы: 1, 2