О возникновении и эволюции жизни

Вопрос о возникновении жизни относится к числу тех, которые по праву считаются «жгучими тайнами» человеческого познания. В философском смысле слова обращение к истокам зарождения жизни означает стремление продвинуться по пути поисков смысла жизни вообще и человеческой жизни в частности. Накоплен весьма богатый опыт размышлений на темы возникновения жизни в мифологии, религии, философии и науке. Но сколь различными ни были бы эти размышления, все они в высшей степени умозрительны, проблематичны и гипотетичны.

Предельно наивные и фантастические представления о происхождении жизни характерны для мифологий и религий любых народов и времен. В них идея о зарождении жизни вписывается в общий ряд описания актов сотворения мира. Таковы, например, космогонические мифы, включающие описания происхождения растений, животных и людей. Очень конкретен миф о мировом яйце, из которого рождается все многообразие явлений растительности и животного мира. Хорошо известны так называемые этиологические, или причинные, мифы, объясняющие происхождение отдельных животных и растений. Вписывая жизнь в магический круговорот явлений природы, миф исключает ее спецификацию. Границы между живым и неживым миром в мифах нечетки, процессы их взаимопревращений бесконечны. Таинственные механизмы мифа связывают землю, воду, ветер, камни, травы, зверей, людей и т. п., превращая их друг в друга (человека — в животное, животное — в дерево, дерево —в камень, и обратно). Мифологические метаморфозы увязываются с насущными потребностями и повседневными занятиями людей. Обожествление живых существ и культивирование отдельных свойств жизни становится неотъемлемым элементом древнейших ритуалов, обрядов, обычаев (культ небесной коровы в Древнем Египте, культ богини плодородия Деметры и бога вина Диониса в Древней Греции, мифы о смерти и воскресении и т. п.) Один из известнейших мифов — миф о переселении душ (прописанный столь рационально в трудах Платона) — исходит из тождества живого и неживого, не различая их. Поэтому трудно говорить о какой-либо четкости вопроса о возникновении жизни в мифе. Скорее в мифах присутствует намек на его постановку.

Более поздние, религиозные гипотезы о возникновении жизни (в христианстве, буддизме, исламе, иудаизме) в принципе аналогичны предшествующим мифологическим объяснениям. Конечно, религиозные модели отличаются более рационализированной формой, другой символикой, более приближены к здравому смыслу.

Например, библейская схема зарождения жизни предполагает Бога-Творца и включена в общий контекст Его деяний по сотворению мира. Так, первые акты творения воплощаются в разделении небесного и земного мира, в появлении света из тьмы, далее — солнца, луны и остальных звезд на небосводе. Флора и фауна водного и земного мира создаются в последующих актах творения. Любые растения и животные создаются в соответствии с замыслом Мастера, в соответствии с ним каждый идеальный прототип животного оснащается веществом, специфичным для него, и наделяется функцией дыхания. Точно таким же образом Бог создает и человека. В модель человека из неодушевленной глины Он вдыхает жизнь. Живые существа создаются в определенной иерархической последовательности.

Что касается многочисленных философских и научных взглядов на происхождение жизни, то их рациональность заключается в отказе от сверхъестественных функций Бога-Творца, в стремлении наблюдать и описывать, строить правдоподобные обобщения и объяснения. Как известно из истории биологии, одна из первых моделей зарождения, роста и многообразия живого была разработана Аристотелем. Она представляла собой по сути первую рациональную и систематическую попытку развернутого и всеобъемлющего ответа на вопрос о возникновении жизни. В ней философские предположения дополнялись естественно-научными наблюдениями за живой природой. Аристотель закрепил широко распространенную в античности идею самопроизвольного зарождения жизни в качестве теоретической константы. Он, в частности, писал, что живые формы (виды) самопроизвольно зарождаются в сырой почве. По его мнению, насекомые и лягушки заводятся во влажном иле. На протяжении почти двух тысяч лет гипотеза самопроизвольного зарождения жизни успешно конкурировала с христианско-библейской идеей Божественного творения жизни из неживой субстанции.

Но уже в XVII в. гипотеза о спонтанном зарождении жизни начинает встречать возражения. В XIX в. такие возражения становятся более обоснованными и получают экспериментальное подтверждение в опытах Л. Пастера. Он показал, что бактерии переносятся с воздухом, и если воздух стерилизовать, то в колбе со стерильным бульоном они не заведутся. Казалось бы, вопрос о самопроизвольном зарождении жизни снят. С гипотезой о самопроизвольном зарождении жизни не согласился Ч. Дарвин. Заметив, что подобное предположение просто нелепо, Дарвин тем самым допустил возможность Божественного акта творения жизни. Более обстоятельные возражения гипотеза о самопроизвольном зарождении жизни встретила у сторонников виталистического учения. Ее теоретическая продуктивность стала особенно явной по контрасту со всевозможными представлениями, сводившими жизнь к совокупности химических, физических или механических процессов и явлений. Возражая против подобных редукций, виталисты отстаивали качественное своеобразие жизненных процессов и явлений, используя для их объяснения такие принципы, как, например, принцип жизненной силы, принцип энтелехии, принцип творческой силы и т. п. Виталистические объяснения допускали существование непознаваемых (искомых) факторов, порождающих и организующих любые формы жизни. Один из наиболее талантливых биологов-виталистов второй половины XIX в. Х. Дриш считал, что сущность жизни составляет творческие и организующие силы энтелехии, действующей вне времени и вне пространства. Другие виталисты допускали действие глубинной «жизненной энергии», «жизненного порыва» или некоей «творческой доминанты».

Наиболее серьезная критика виталистических идей исходила от сторонников эволюционного учения. Но большинство из них ограничивалось лишь принципиальным эволюционистским тезисом о происхождении живых организмов от других живых организмов. В конечном счете такое ограничение подразумевало в неявной форме постановку вопроса о происхождении самых первых организмов, что и делало эволюционистскую гипотезу весьма уязвимой. Только в XX в., благодаря трудам многих биохимиков, биологов, палеонтологов, гипотеза о самопроизвольном зарождении жизни приобрела весомые теоретические аргументы и экспериментальные свидетельства. Здесь в первую очередь следует назвать имена В. И. Вернадского, А. И. Опарина, Дж. Холдейна, Дж. Бернала, Т. де Шардена и др. Различия между их взглядами не исключают сходства тех обобщений, к которым они приходят. Схематично описание самопроизвольного зарождения жизни на основе этих обобщений можно свести к следующему.

Возникновение жизни из неживой материи на Земле относится к периоду, отстоящему от нашего времени на 3−3,5 млрд лет. Этот период совпадает с завершением формирования земной коры и протоокеана. Жизнь могла появиться только тогда, когда сложились благоприятные условия. Время зарождения живого из неживого измеряется многими десятками миллионов лет. Длительный промежуток времени отделил абиогенный период (период физикохимических изменений земной коры и образования подходящих материальных условий) от биогенного (периода зарождения простейших живых форм и их последующей эволюции). Обычно к числу всеобщих и необходимых условий зарождения жизни, помимо длительного времени, относят заметное снижение температуры земной поверхности, отсутствие газообразного кислорода, наличие определенных химических веществ и источников энергии.

Длительность времени возникновения жизни является необходимым условием, подтверждаемым фактами превращения веществ в органических реакциях. Известно, что белок действует как катализатор, ускоряя процессы превращений до нескольких секунд. Но при отсутствии белка подобные реакции могли длиться миллионами лет. По-видимому, хотя вероятность событий, от которых зависело появление простых форм жизни, была ничтожно мала, времени для их наступления было достаточно. Если Земля, как полагают геологи, образовалась более 4,5 млрд лет назад, то первые протоклеточные формы зародились лишь спустя 1−1,5 млрд лет. Гигантский по масштабам длительности отрезок времени с необходимостью способствовал столь случайному событию, каким оказалось зарождение жизни.

Другое необходимое условие зарождения жизни—остывание земной поверхности. Известно, что белок (наряду с другими веществами) является неотъемлемым компонентом жизни. Чтобы белок не разрушалея, температура земной поверхности должна была существенно понизиться. Искомое значение температуры измеряется порогом 90° по Цельсию. При такой температуре в горячих источниках продолжают жить некоторые бактерии, образуются определенные органические соединения, участвующие в построении белка, о чем свидетельствуют соответствующие наблюдения. Предполагают, что поверхность Земли остыла до требуемой температуры через 1−1,5 млрд лет с момента ее образования.

Третье необходимое условие зарождения жизни — отсутствие кислорода в земной атмосфере. Дело в том, что кислород при взаимодействии с органическими веществами изменяет их свойства, которые необходимы для зарождения простых форм живого. Органические молекулы, соприкасаясь с кислородом, существуют недолго и не могут трансформироваться в более сложные структуры. По этой причине самопроизвольное зарождение жизни из неживых тел в наше время невозможно.

Наличие химических веществ и источников энергии составляет четвертую и пятую группы необходимых условий зарождения жизни. Согласно обобщенным предположениям Опарина—ХолдейнаБернала, самопроизвольное зарождение жизни предполагает: а) химическую эволюцию вещесгв как последовательность превращений от элементарных структур к сложным, характерным для живых форм; б) последовательность энергетических превращений, сопровождающих химическую эволюцию и обеспечивающих жизнеобразующие процессы; энергия должна была быть накоплена заранее, а ее запасы постоянно пополняться за счет внешних источников. Длительная химическая эволюция веществ от атомарных форм через молекулярные и макромолекулярные структуры к простейшим одноклеточным организмам сопровождалась отбором таких комбинаций, которые были способны существовать не разрушаясь.

Первые простейшие организмы жили и умирали в первичном океаническом бульоне. Остатки тел, подобных бактериям, обнаружены археологами и палеонтологами в древнейших отложениях земной коры, возраст которых исчисляется 3−3,5 млрд лет. Они столь малы, что разглядеть их можно только с помощью электронного микроскопа. Одноклеточные организмы поначалу питались исключительно органическими веществами. В дальнейшем они приобрели способность к фотосинтезу, научились использовать водород для восстановительных реакций и перерабатывать углекислый газ в углеводы. В ходе внутренних химических реакций фотосинтезирующие процессы, протекавшие в организмах, превращали неорганические вещества в органические. С этого момента началось накопление кислорода в атмосфере и прогрессирующая интенсификация эволюции органических веществ.

Центральным моментом биохимической эволюции считается приобретение простейшими живыми формами способности к воспроизведению, синтезу или репликации молекул. Механизм молекулярной репликации, т. е. воспроизведения молекул, лежит в основе эволюционного процесса выживания наиболее приспособленных живых организмов. Если молекула обладала репликативной способностью, то она могла создавать свои собственные копии. Первичный бульон, в котором находились молекулы-репликаторы, представлял собой хаотическое движение простейших живых тел. Образование сложных агрегатов зависело от случайного соединения элементов, что порождало их различные типы. Отличия одних сложных молекулярных тел от других явились следствием ошибок при их копировании в процессах репликации. Ошибки копирования при репликации молекул повторялись, что могло приводить к появлению нескольких типов молекул от одного предка. Одни молекулы были более устойчивы, чем другие. Они отличались большей стабильностью и продолжительностью жизни в первичном бульоне. Другие молекулы обладали большей скоростью размножения, или «плодовитостью».

Насколько процессы зарождения жизни можно считать необходимыми или случайными? На этот вопрос, конечно же, нет однозначного ответа. Наша Земля является пока единственной планетой, на которой зародилась и существует жизнь, и это считается уникальным и случайным событием. Приоритет случайности просматривается и в гипотезе о том, что жизнь занесена на Землю из Космоса, с других планет (гипотеза панспермии). В силу недоказуемости этой гипотезы нельзя добиться какого-то однозначного ответа на вопрос о возможности занесения жизни из Космоса на Землю. По-видимому, нельзя найти аргументы как исключающие возможность такого события, так и подтверждающие его. Вместе с тем само по себе обсуждение гипотезы панспермии не устраняет вопрос о земных условиях жизни. Случайность зарождения жизни на Земле сочетается с совокупностью условий, действие которых обладает свойствами необходимости и достаточности.

Первые прототипы растений и животных были микроскопическими и одноклеточными существами, представлявшими собой однородную живую массу. В какой-то период началось «растекание» живой массы по земной поверхности при ее одновременном «возрастании» (В. И. Вернадский). Процессы растекания живой массы сопровождались, по-видимому, двумя главными тенденциями. Вопервых, живая масса воздействовала на геохимические процессы, вовлекая в биологический круговорот воду, сушу и воздух. Во-вторых, взаимодействие живых организмов способствовало их усложнению, размножению и разнообразию. По мере интенсификации жизни одноклеточные образования трансформировались в многоклеточные организмы. Их тела состояли из отдельных клеток или групп клеток различной формы и назначения. Процессы эволюции многоклеточных живых образований прогрессировали, они размножались, и в итоге земная флора и фауна достигли невероятного разнообразия. Разнообразные виды многоклеточных организмов сменяли друг друга при переходе от одной эволюционной эпохи к другой. Тенденции видообразования (появление новых видов живых организмов) становятся заметными особенно тогда, когда живые организмы переходят из водной среды на сушу, распространяются в воздушной среде. Развитие биологических видов от беспозвоночных к позвоночным, от земноводных к пресмыкающимся, от рептилий к многообразию зверей и птиц и далее — вплоть до приматов, включая человекообразных и человека, — такова принципиальная схема развертывания эволюционных эпох.

Энергия природы используется в целях выживания и адаптации организмов, для пополнения израсходованных запасов энергии. Так, почти все растения способны к фотосинтезу: они используют солнечную энергию или энергию других источников света, синтезируя питательные вещества. Энергетические ресурсы различных видов являются необходимым условием поддержания и воспроизведения их организации. Высокоупорядоченное строение живых форм отличается свойствами самоорганизации и саморегуляции. Так, химические вещества, служащие «строительным материалом» организмов, имеют более высокий уровень упорядоченности структуры неорганических веществ. Клеточные организации живых существ обладают гораздо более высокой степенью сложности, чем их химические структуры. Саморегуляция живых организмов способствует росту их стабильности, устойчивости.

При размножении структуры живых организмов возникают заново в каждом последующем поколении. Феномен саморганизации жизни получил разные объяснения, известные как преформистские и эпигенетические гипотезы. Они конкурировали друг с другом, начиная с античной философии и биологии. Согласно преформистской гипотезе, развитие и признаки организма предопределены структурами его зародыша, т. е. структурами его половых клеток. Радикальность преформизма заключалась в утверждении, что зачатки зародышей всех будущих поколений живых существ изначально заложены в акте их сотворения. Наглядно преформистская точка зрения изображалась в виде «матрешечной модели» развития организмов: зародыш каждого последующего поколения «упрятан» в зародыше предыдущего, как одна матрешка в другой.

Согласно эпигенетической гипотезе, напротив, развитие организма протекает путем последовательных новообразований, зависящих от различных причин, сил, целей. Так, еще Аристотель полагал, что в зародыше организма нет готовых структур. Они возникают как новообразования на каждом этапе развития организма. Само же развитие структур организма носит целесообразный.

(телеологический) характер. Погрешности и иллюзии преформистских и эпигенетических предположений о самоорганизации жизни были устранены только в XX в., когда прояснились химические структуры генов, механизмы хранения и передачи наследственной информации. Информация, потребность в которой испытывает каждый организм, передается его потомкам путем наследования. Она содержится в генетических структурах — генах и хромосомах организма. По наследству передаются не структуры, а описания их свойств. Каждое описание таких свойств фиксирует наследственную программу организма, которую он может передать будущим поколениям. Кроме того, в каждое описание структуры организма включается инструкция (технология) по ее изготовлению. Другими словами, наследственная программа содержит описание как особенностей строения организма, так и последовательности операций по изготовлению его структур. Сам же механизм наследования можно уподобить процедуре копирования генетической структуры родительского организма потомками. При этом родительские структуры используются в качестве матриц для изготовления структур потомков — последующих поколений. Копирование генетических структур одних поколений другими сопряжено с мутациями (ошибками, изменениями) свойств организма, вызываемыми действием естественных и искусственных факторов. Мутации затрагивают любые свойства организмов, что проявляется в разнообразии их модификаций — разнообразии видов. Генетические механизмы, обеспечивая функции сохранения, воспроизведения и программирования структур организмов, задают их возможные потребности в энергетических ресурсах, пределы развития и поведения.

Проблема возникновения жизни не имеет однозначных решений. Гипотезы, сформулированные по этому поводу, страдают умозрительностью и существенно отличаются друг от друга. Одним из главных пунктов разногласий, сохраняющихся до сих пор, остается вопрос о соотношении научного и религиозного взглядов на историю зарождения жизни. Если для ученого истина всегда содержит элемент вероятности, возможность своего подтверждения или опровержения, то для верующего божественная истина абсолютна. В силу сокрытости и таинственности актов творения жизни Богом они недоступны наблюдениям. Наука, напротив, имеет дело с теми явлениями, которые поддаются наблюдению в естественных или лабораторно-экспериментальных условиях. Поэтому с помощью научных методов нельзя ни подтвердить, ни опровергнуть религиозные или мифологические взгляды на происхождение жизни. Можно только утверждать, что они находятся за пределами научного познания.

Случайность самопроизвольного зарождения жизни сочетается с действием ряда необходимых условий, а именно: гигантский интервал времени, измеряемый десятками миллионов лет; понижение температуры земной поверхности; отсутствие газообразного кислорода в атмосфере Земли; наличие соответствующих химических веществ и источников энергии. Реконструкция процессов зарождения жизни, согласно биохимической гипотезе, сводится к трем основным фазам: от атомов до молекул; от отдельных молекул к полимерным формам; от полимеров к агрегатам простейших клеточных организмов.

Понятие эволюции подразумевает всеобщие процессы изменения живых организмов с присущими им свойствами упорядоченного и последовательного развития от простейших форм их организации и поведения к более сложным формам. Если задаться вопросом, каким образом можно обосновать путь зарождения и эволюции жизни на Земле, то ответ на него будет гласить: путем наблюдений, лабораторных экспериментов и теоретических доказательств на базе ряда дисциплин биологического, химического и физического циклов.