Сергеев А.А. Современные философские проблемы экологии, биологических и сельскохозяйственных наук

Подождите немного. Документ загружается.

рые сыграли роль «семян», павших на голую землю. Находили в ме-

теоритах объекты, напоминающие примитивные формы жизни, но

доводы не очень убедительные.

Биохимическая эволюция

Возраст Земли 4,5-5 млрд. лет. В далёком прошлом состояние

планеты было мало похожим на нынешнее. Температура на поверх-

ности была очень высокой 4000-8000

С. По мере того, как Земля

остывала, углерод и более тугоплавкие элементы конденсировались и

образовали земную кору. Поверхность планеты была голой и неров-

ной, так как на ней в результате вулканической деятельности, непре-

рывных подвижек коры и сжатия, вызванного охлаждением, происхо-

дило образование складок и разрывов. Атмосфера была не такая как

сейчас. Лёгкие газы – водород, гелий, азот, кислород и аргон - уходи-

ли из атмосферы, так как гравитационное поле ещё недостаточно

плотной планеты не могло их удерживать.

Однако простые соединения, содержащие эти элементы, долж-

ны были удерживаться: к ним относятся вода, аммиак, двуокись угле-

рода и метан. До тех пор, пока температура

Земли не упала ниже 100

С, вся вода, вероятно, находилась в парообразном состоянии. Атмо-

сфера была, по-видимому, «восстановленной», о чем свидетельствует

наличие в самых древних горных породах Земли металлов в восста-

новленной форме, таких как двухвалентное железо. Отсутствие в ат-

мосфере кислорода было, вероятно, необходимым условием для воз-

никновения жизни (органические вещества – основа живых организ

мов – гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в ат-

мосфере, богатой кислородом).

В 1923 г. А.И. Опарин высказал мнение, что атмосфера первич-

ной Земли была не такой, как сейчас, а примерно как вышеописанная.

Органические вещества (углеводороды) могли создаваться в океане из

более простых соединений; энергию для этих реакций синтеза

достав-

ляла интенсивная солнечная радиация (ультрафиолетовая), падавшая

на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задержи-

вать большую её часть. Разнообразие находившихся в океане простых

соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и

масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепен-

но накопились органические вещества и образовался тот «первичный

бульон

», в котором могла возникнуть жизнь. В 1871 г. сходную мысль

высказал Ч. Дарвин.

В 1953 г. С. Миллер смоделировал условия, предположительно

существовавшие на первобытной Земле.

После этого Орджел синтезировал нуклеиновые кислоты.

Позднее возникло предположение, что в первичной атмосфере в

относительно высокой концентрации содержалась двуокись углерода.

Но теория А.И. Опарина оставила нерешёнными проблемы, свя-

занные с переходом от сложных органических веществ к простым

живым организмам. Решающая роль в превращении неживого в живое

принадлежит белкам, которые образовали коацерваты. Разнообразие

бульона вело к различию коацерватов и поставило сырьё для биохи-

мического естественного отбора. На этом пути к высшим

формам воз-

никла клетка.

Первые организмы были гетеротрофами, т. к. только они могли

использовать имевшиеся в среде запасы энергии, заключённые в

сложных органических веществах первичного бульона.

По мере образования в ходе «биохимической эволюции» более

сложных органических веществ некоторые из них оказались способ-

ными использовать солнечную радиацию как источник энергии для

синтеза новых клеточных материалов. Включение этих веществ в уже

существующие клетки позволило последним синтезировать новые

клеточные материалы, так что им больше не надо было поглощать ор-

ганические вещества – клетки стали автотрофными. Возрастание чис-

ленности гетеротрофов должно было привести к уменьшению пище-

вых ресурсов первичного бульона, и возникшая конкуренция ускори-

ла появление

автотрофов.

На более позднем этапе возникли организмы, способные к фото-

синтезу с выделением кислорода, подобные современным сине-

зелёным водорослям, и это привело к постепенному накоплению кис-

лорода в атмосфере. Его ионизация с образованием озонового слоя

уменьшила количество ультрафиолетовой радиации, достигающей

Земли. Это привело к замедлению синтеза новых сложных веществ,

но

одновременно повысило устойчивость преуспевающих форм жиз-

ни.

Многие из этих теорий используют одни и те же данные, но де-

лают упор на разные их аспекты. Научные теории могут быть сверх-

фантастическими, с одной стороны, и сверхскептическими – с другой.

Но уже в XVII в. наука встречает экспериментальные возраже-

ния, которые получили более полное

обоснование благодаря извест-

ным опытам Л. Пастера в XIX в. Было показано, что бактерии перено-

сятся с воздухом, и если воздух стерилизовать, то в колбе со стериль-

ным бульоном они не заведутся. Казалось бы, что вопрос о самопро-

извольном зарождении жизни из неживого мира снят. Даже если Ч.

Дарвин писал, что

рассуждать о произвольном зарождении жизни

просто нелепо, ибо тогда надо допустить идею божественного сотво-

рения мира. Большинство учёных стало ограничиваться только эво-

люционистским тезисом о происхождении живых организмов от дру-

гих живых организмов. В конечном счёте такое ограничение подразу-

мевало в неявной форме постановку вопроса о происхождении самых

первых организмов.

Только в XX в. трудом многих биохимиков, биологов, палеон-

тологов идея самопроизвольного зарождения жизни приобрела весо-

мую теоретическую правдоподобность на основе данных наблюдений

и лабораторных экспериментов. Здесь, в первую очередь, следует

назвать имена Дж. Бернала, В.И. Вернадского, А.И. Опарина, Дж.

Холдейна, Т. де Шардена. Различия между их взглядами не исключа

ют сходства тех отдельных обобщений, к которым они приходят.

Концепция А.И. Опарина относится к группе голобиоза, по-

скольку исходит из идеи первичности структур типа клеточной, наде-

лённой способностью к элементарному обмену веществ при участии

ферментного механизма. Нуклеиновые кислоты при таком механизме

появляются на завершающем этапе.

Концепция генобиоза Дж.Холдейна:

первичной была не струк-

тура, способная к обмену веществ с окружающей средой, а макромо-

лекулярная система, подобная гену и способная к саморепродукции.

К концу 1980-х гг. было доказано, что первичной была молекула

РНК, а не ДНК. Древняя РНК совмещала в себе черты генотипа и фе-

нотипа, то есть была подвержена как

генетическим преобразованиям,

так и естественному отбору. А процесс эволюции шёл от РНК к белку,

а затем к образованию молекул ДНК. Вероятно, был скачок.

Живое вещество разделено на дискретные образования – орга-

низмы, более простыми прообразами которых являются элементарные

каталитические системы. Эта теория А.П. Руденко является наиболее

подробно разработанным вариантом общей

теории химической эво-

люции и биогенеза, решает в комплексе вопросы о движущих силах и

механизме эволюции, то есть о законах химической эволюции, об от-

боре элементов и структур и их причинной обусловленности, об

уровне химической организации и иерархии химических систем в

процессе эволюции.

А.П. Руденко считает процесс химической эволюции неотдели

мым от явления катализа, причём объектом служит не отдельная мо-

лекула, а каталитическая система.

Катализ – явление, связанное с изменением скорости протекания

химической реакций с помощью специальных веществ, которые не

расходуются в ходе реакции, не входят в состав продукта, но ускоря-

ют ход процессов иногда в тысячи раз.

Это главный способ

роста всех живых тканей, в соответствии с

которым с матричных молекул ДНК или РНК считывается наслед-

ственная информация и на её основе строится новая молекула. Так

строится добиологическая эволюция. Затем начинается биологиче-

ская.

3. Современные представления

о происхождении жизни

Вопрос о происхождении жизни – один из самых трудных в со-

временном естествознании, в первую очередь потому, что мы сегодня

не можем воспроизвести процессы возникновения жизни такими, ка-

кими они были миллиарды лет назад. Ведь наиболее тщательно по-

ставленный опыт будет лишь моделью, приближением, безусловно,

лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на

земле. И тем не менее наука успешно решает вопрос о происхождении

живого, проводит многочисленные исследования, постоянно расши-

ряет наши представления о зарождении жизни. Это вполне понятно:

проблема жизни лежит в фундаменте всех биологических наук и в

значительной мере – всего естествознания.

Существенный вклад в решение вопроса о происхождении жиз-

ни внесли

биохимик А.И. Опарин (1894-1980), английские естество-

испытатели Д. Бернал (1901-1971), Б.С. Холдейн (1892-1964) и др.

История жизни и история Земли неотделимы друг от друга.

Именно в процессах развития нашей планеты закладывались условия

будущего существования жизни – диапазоны температур, влажности,

давления, уровня радиации и т. п. Например, диапазон температур, в

котором существует известная нам

активная жизнь, составляет до-

вольно узкую полосу.

Одна из гипотез о происхождении Земли и всей Солнечной си-

стемы заключается в том, что наша Земля и все планеты сконденсиро-

вались из космической пыли, располагавшейся в окрестностях Солн-

ца. Скорее всего, частицы пыли состояли из железа с примесью нике-

ля, либо из

силикатов (веществ, в состав которых входит широко рас-

пространённый на Земле кремний), например, силикатов магния, и

каждая частица была окружена льдом. Конечно, кроме пыли везде

присутствовал газ. И газ, и частицы пыли пронизывались солнечной

радиацией. При этом весьма вероятно, что на внешних участках Сол-

нечной системы газы могли конденсироваться, образуя различные

ле-

тучие органические соединения, в которых присутствует основной

элемент всех живых организмов – углерод. Постепенно Солнце разо-

гревало их, газы снова испарялись, но некоторая их часть под дей-

ствием излучений превращалась в менее летучие углеводороды (со-

единения углерода с водородом) и соединения азота.

Возможно, что именно пылевые частицы, окружённые оболоч-

ками

из органических соединений, объединяясь, образовали сначала

астероиды, а затем планеты. Известно, что, например, гиганты Сол-

нечной системы - Юпитер, Сатурн, Уран состоят в основном из мета-

на, водорода, аммиака и льда – веществ, служащих основой всех

сложнейших органических соединений. В то же время общая поверх-

ность пылинок была очень велика, а это значит

, что на ней могли об-

разоваться различные соединения углерода и азота – прямых предше-

ственников жизни. Данное предположение доказывается тем, что ряд

органических соединений найден в метеоритах, например аденин –

биологически очень важное азотистое основание. Он был также ис-

кусственно получен в лаборатории при условиях, которые имитирова-

ли первичную атмосферу Земли. А, скажем, органические соединения,

играющие большую роль

в обмене веществ живых организмов, - ща-

велевую, муравьиную и янтарные кислоты удалось искусственно по-

лучить при облучении водных растворов углекислоты.

Первичная атмосфера Земли, как и других планет, содержала,

очевидно, метан, аммиак, водяной пар и водород. Воздействуя в лабо-

ратории на смесь этих газов электрическими разрядами, имитирую-

щими молнию, и ультрафиолетовым

излучением, учёные получили

сложные органические вещества, входящие в состав живых белков,-

глицин, аланин и др. Таким образом, сейчас не приходится сомневать-

ся в том, что под воздействием электрических разрядов, световой и

ультрафиолетовой радиации ещё до образования Земли, или на самой

первой стадии её существования из неорганических соединений мог

возникнуть ряд довольно

сложных органических веществ. Образо-

вавшиеся органические вещества – это первый шаг на пути к жизни.

Какие же элементы являются основными слагаемыми живого,

его «кирпичиками»? Это в первую очередь углерод, кислород, азот и

водород. В живой клетке, например, по массе содержится около 70%

кислорода, 17% углерода, 10% водорода, 3% азота. Затем идут фос-

фор, калий, хлор,

сера, кальций, натрий, магний, железо. Их количе-

ство в клетке не превышает десятых долей процента. Далее следуют

медь, цинк, йод, фтор и другие элементы, присутствующие в тысяч-

ных и десятитысячных долях процента.

Особая роль в живых организмах принадлежит углероду. Гово-

рят, что жизнь на нашей планете «углеродная», то есть в основе

всех

органических соединений и веществ организмов лежит углерод. Угле-

родные соединения обладают рядом свойств, делающих их незамени-

мыми при образовании живых систем. Прежде всего, число органиче-

ских соединений на основе углерода огромно – десятки миллионов.

Они активны при сравнительно невысокой температуре. Атомы угле-

рода в молекулах могут образовывать длинные цепи различной

фор-

мы. При относительно небольшой перестройке молекул углеродных

соединений существенно меняется их химическая активность, которая

возрастает при наличии катализаторов.

Все элементы живого принадлежат к наиболее устойчивым и

распространённым по Вселенной веществам. Они легко соединяются

между собой и обладают малой атомной массой. Соединения, образо-

ванные такими элементами, должны легко растворятся в воде

. Таким

свойством обладают, например, соединения калия, натрия и др.

Наша планета богата водой и расположена на таком расстоянии

от Солнца, что необходимая для жизни основная масса воды находит-

ся в жидкости, а не в твердом или газообразном состоянии, как на

других планетах. На Земле поддерживается оптимальный интервал

температур, необходимый для зарождения и существования жизни.

Является ли Земля тем единственным космическим

телом, на

котором возможна жизнь? По-видимому, нет. Ведь только в нашей

Галактике примерно 150 млрд. звёзд, и вполне возможно, что в ней

существуют космические тела, на которых возможна жизнь.

Первый шаг на пути к возникновению жизни заключается в об-

разовании органических веществ из неорганического космического

сырья. Такой процесс протекал при

определенной температуре, дав-

лении, влажности, радиации и т. д. На первой стадии данного процес-

са, вероятно, начал действовать предварительный отбор соединений,

из которых позднее появилась организмы. Из множества образовав-

шихся веществ сохранились лишь наиболее устойчивые и способные

к дальнейшему усложнению.

Для построения любого сложного органического соединения

живых организмов нужен небольшой набор

слагающих блоков – мо-

номеров (низкомолекулярных соединений). Например, имея всего 29

сравнительно несложных мономеров, можно описать биохимическое

строение любого живого организма. В число их входят 20 аминокис-

лот, из которых построены все белки, 5 азотных оснований (из них в

комбинации с другими веществами образуются носители наслед-

ственности – нуклеиновые кислоты, а также глюкоза – важнейший ис-

точник энергии, необходимый для жизнедеятельности, жиры – струк-

турный материал, идущий на построение в клетке мембран и запаса-

ющий энергию).

Такое сравнительно небольшое число соединений – результат

действия в течение почти миллиарда лет естественного отбора, выде-

лившего их из огромного количества некогда возникших веществ и

определившего их пригодность для возникновения живого. Можно

сказать

, что эволюции организмов предшествовала очень длительная

химическая эволюция.

Соединения, возникшие на основе углерода, образовали «пер-

вичный бульон» гидросферы. Существует научная гипотеза, согласно

которой, содержащие углерод и азот вещества возникали в расплав-

ленных глубинах Земли и выносились на поверхность при вулканиче-

ской деятельности. Разливаясь водой, они могли попасть в океан, где

участвовали в образовании «первичного бульона».

Второй важнейший шаг в образовании живых организмов за-

ключался в том, что из множества отдельных молекул органических

веществ, существовавших в первичном океане Земли, возникли упо-

рядоченные сложные вещества – биополимеры: белки и нуклеиновые

кислоты. Они уже обладали важнейшим биологическим свойством –

воспроизводить аналогичные себе молекулы.

Формирование биополимеров происходило в первичном океане

Земли. Для того, чтобы между соединениями могли произойти реак-

ции, ведущие к образованию сложных биологически важных молекул,

концентрация органических соединений должна быть сравнительно

высокой. Такая концентрация веществ могла образоваться в результа-

те осаждения соединений

на различных минеральных частиц, напри-

мер, на частичках глины или гидроокиси железа, образующих ил про-

греваемого солнцем мелководья. Органические вещества могли обра-

зовать на поверхности океана тонкую плёнку, которую ветер и волны

гнали к берегу, где они собирались в толстые слои с высокой концен-

трацией органических веществ.

Свободный кислород появился

значительно позже, в результате

деятельности первых фотосинтетиков – водорослей, а затем и назем-

ных растений. Бескислородная среда облегчала, по-видимому, синтез

биополимеров из неорганических соединений; кислород, как сильный

окислитель, разрушил бы возникающие молекулы.

Отдельные несложные органические соединения стали объеди-

няться в крупные биологические молекулы. Образовались ферменты –

белковые катализаторы, способствующие возникновению или распаду

молекул. В результате деятельности первичных ферментов возникли

одни из важнейших органических соединений – нуклеиновые кисло-

ты. Мономеры в нуклеиновых кислотах расположены так, что несут

определённую информацию о синтезе белков и обмене с внешней

средой веществом и энергией. Кроме того, молекулы нуклеиновых

кислот пробрели свойство самовоспроизведения себе подобных.

Можно считать, что с

этого момента на Земле возникла жизнь.

Имелось несколько фаз становления жизни.

Фаза 1 – «от атома до молекулы». Фаза сводится к эволюции

химических веществ, в процессе которой появились всё более и более

сложные молекулярные структуры. Из воды, метана, аммиака форми-

ровались органические соединения, служащие строительным матери-

алом преджизненных форм. Уже на этой фазе

могли появиться такие

соединения веществ, которые обладали элементарной способностью

ускорять ход химических превращений и переносить энергию.

Фаза 2 – «от отдельных молекул к полимерным объединениям».

Полимеры, крупные органические образования, складывались из мо-

номеров – элементарных органических молекул. По Опарину – Хол-

дейну, шёл процесс образования «первичного бульона» из полимеров.

По-видимому, это могло происходить

на морском мелководье, после

отливов, когда шли интенсивные испарения, сопровождавшиеся вы-

бросами тепловой энергии. Здесь формировались вещества, подобные

белкам с присущими им катализирующими свойствами, ускорявшими

ход химических превращений.

Фаза 3 – «от полимеров к агрегатам простейших клеточных

организмов». На этой заключительной фазе зарождения жизни поли-

мерные структуры объединяются в крупные агрегатные формы –

длинные цепочки полимеров. Чтобы такие агрегатные формы могли

превратиться в клетки, необходимо, чтобы они обладали тремя важ-

нейшими

свойствами.

Во-первых, это были свойства белковой мембраны, отделяю-

щей клетку от внешней среды и опосредствующей обмен веществ

между ними.

Во-вторых, свойства белка, отвечающего за обмен веществ

между организмом и средой, а также выполняющего структурообра-

зующую и катализирующую функции.

В-третьих, свойства нуклеиновых кислот, содержащих инфор-

мацию для

синтеза белков. Потребовались десятки миллионов лет хи-

мической эволюции примитивных молекулярных агрегатов, прежде

чем они превратились в простейшие организмы.

Длительная химическая эволюция веществ от атомарных форм

через молекулярные и макромолекулярные структуры к простейшим

одноклеточным организмам сопровождалась отбором таких комбина-

ций, которые были способны существовать не разрушаясь. Агрегат-

ные состояния молекулярных

структур отличались большей стабиль-

ностью и длительностью своего существования благодаря катализи-

рующим качествам белковых веществ. Химические реакции, проте-

кающие в клеточных агрегатах, обеспечивали формирование в них

функций энергетики дыхания и перемещения, функций воспроизведе-

ния полимеров, функций накопления веществ, поступавших из внеш-

ней среды, функций превращения одних веществ в функции других, т

е. всех тех функций, которые называются метаболическими функция-

ми клетки.

Первые простейшие организмы жили и умирали в «первичном

океаническом бульоне». Остатки этих тел обнаружены археологами и

палеонтологами в древнейших отложениях земной коры, возраст ко-

торых исчисляются 3-3,5 млрд. лет. С помощью электронного микро-

скопа можно усмотреть их сходство с бактериями. Поначалу

однокле-

точные организмы питались исключительно органическими веще-

ствами. В дальнейшем они приобретают способность к фотосинтезу,

используют водород для восстановительных реакций и перерабаты-

вают углекислый газ в углеводороды. Внутренние химические реак-

ции, происходящие в фотосинтезирующих организмах, способствова-

ли превращению неорганических веществ в органические вещества. С

этого момента началось накопление кислорода в атмосфере

и про-

грессирующая интенсификация эволюции органических веществ.

Центральным моментом биохимической эволюции остаётся

приобретение живыми формами способности к воспроизведению мо-

лекул. Механизм молекулярной репликации, т. е. воспроизведение

молекул, лежит в основе эволюционного процесса выживания наибо-

лее приспособленных живых организмов. Если молекула обладала

способностью к репликации, 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 копи-

рования при репликации молекул повторялись, что могло приводить к

появлению нескольких типов

молекул от одного предка. Одни моле-

кулы были более устойчивы, чем другие. Они отличались большей

стабильностью и продолжительностью жизни в «первичном бульоне».

Еще одно свойство репликации молекул обнаружилось в скоро-

сти размножения, или «плодовитости». Среди молекул-репликаторов

«первичного бульона» были те, которые характеризовались более вы-

сокой плодовитостью. К моменту экспансии

распространения жизни

по земной поверхности и, собственно, биологической эволюции про-

стейшие организмы «первичного бульона» обладали определённой

степенью своего разнообразия. Одни из них могли жить дольше, а

другие были более плодовиты.

Насколько процессы зарождения жизни можно считать необхо-

димыми или случайными? Этот вопрос, конечно же, не имеет одно-

значного ответа. Тот факт

, что наша Земля является пока единствен-

ной планетой, на которой зародилась и существует жизнь, несомнен-

но, относится к числу уникальных, случайных событий. Приоритет

случайности просматривается и в гипотезе о том, что жизнь занесена

на землю из Космоса, с других планет (гипотеза панспермии). Харак-

тер этой гипотезы не позволяет получить однозначный

ответ на во-

прос о возможности занесения жизни из Космоса на Землю. По-

видимому, нельзя найти аргументов как исключающих возможность

такого события, так и подтверждающих 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 не-

обходимыми и достаточными. Во всяком случае, только взаимодей-

ствие таких факторов, как время, температура, отсутствие кислорода в

земной атмосфере, наличие химических веществ и источников энер-

гии, с необходимостью обусловило возможность появления живых

организмов.

За один миллиард лет эволюции эукариотический тип клеточной

организации дал широкое разнообразие живых форм от одноклеточ-

ных простейших до млекопитающих и человека.

Существование клетки зависит от выполнения ею ряда обяза-

тельных условий:

- отграничение от окружающей среды,

- обмен веществ с этой средой.

На основе биохимических механизмов внутри клетки происхо-

дят

реакции диссимиляции и ассимиляции, образуются химические

соединения для выполнения тех или иных функций. В процессе жиз-

недеятельности возникают вещества, которые подлежат удалению.

Приобретение клеткой способности к активному движению облегчает

задачу поиска пищи и избегания опасных ситуаций. Сохранение жиз-

ни во времени зависит от способности клеток к делению. В ходе эво-

люции

совершенствование жизненно важных функций происходит

путем их дифференциации, т. е. обособления. Нередко такое обособ-

ление связано с возникновением специальных структур.

Появление закономерности в виде разделения и специализации

функций и структур представляет собой одно из всеобщих свойств

жизни. Возникновение среди живых форм многоклеточных организ-

мов, с которыми связано прогрессивное направление эволюции,

явля-

ется логическим развитием этого свойства. Перевод к многочисленно-

сти привёл к появлению полового размножения, выделению эмбрио-

нального периода. В процессе исторического развития на планете воз-

никло не менее 35 типов многоклеточных организмов. Из них до сих

пор существуют 26, будучи представленными более чем 2 млн. видов.