Л.Н.Сухорукова
Известно, что целостной теории происхождения жизни в науке не существует. Имеется целый ряд идей и гипотез, высказанных ранее или развиваемых в настоящее время. Как действовать учителю биологии в сложившихся условиях? Исключить эту проблему из программы, следуя традиции изучать только устоявшееся и незыблемое? Выбрать одну гипотезу и не рассматривать другие? Сделать обзор гипотез?
Изучать биологию, не затрагивая сущности и происхождения жизни, так же, как и ограничиться одной гипотезой – значит снизить познавательные возможности учащихся, интерес к учению.
Опыт преподавания общей биологии показывает, что следует сделать обзор гипотез и оценить их вклад в научную картину мира. При этом важно учитывать, что всё их многообразие можно свести к двум взаимоисключающим подходам – биогенезу и абиогенезу. Сторонники биогенеза (от греч. “био” – “жизнь”, “генезис” – “происхождение”) полагали, что живое происходит только от живого. Их противники считали возможным происхождение живого от неживого, то есть в той или иной мере допускали самозарождение жизни.
Гипотезы, основанные на идее абиогенного происхождения жизни, можно условно отнести к химическим. Их авторы признают начало мира и определяют возраст жизни на Земле в 3,5 – 4,5 млрд. лет.
Гипотезы, построенные на идее биогенеза и видящие истоки жизни в космосе, относятся к физическим (космическим).
Биогенез оказался как бы в стороне от господствующего мировоззрения. Идеи о вечности жизни и её космическом происхождении не находят отражения в учебниках и учебных пособиях. Напротив, абиогенный подход к изучению явлений стал хрестоматийным, к раскрытию его cущности, этапов перехода химической эволюции в биологическую сводится содержание тем, затрагивающих проблему возникновения жизни на Земле. Отдавая предпочтение абиогенезу, авторы учебников часто освещают его односторонне, ограничиваясь только гипотезой А.И. Опарина (7).
Безусловно, гипотеза А.И.Опарина стала определённым этапом в развитии идеи абиогенеза и имеет право на изучение в школе, однако при её анализе важно рассмотреть не только факты “за”, но и аргументы “против”.
Исходный постулат этой гипотезы: жизнь возникла в результате длительной химической эволюции от атомов к простым молекулам ® макромолекулам ® пробионтам ® одноклеточным организмам. Поскольку абиогенный синтез не мог осуществляться в кислородной атмосфере, А.И. Опарин высказал предположение о восстановительном характере древней атмосферы земли (она состояла из метана, аммиака, углекислого газа, паров воды и не содержала кислорода). Получается, что условия возникновения модели специально конструируются применительно к ней, а затем рассматриваются как существовавшие на самом деле.
И.Г. Заварзин в этой связи замечает: “На все рассуждения относительно состава атмосферы предбиологического периода сильное влияние оказала идея о синтезе органических веществ. Собственно, чаще обсуждался вопрос о том, какой была атмосфера, а не о том, какой она должна была бы быть, чтобы обеспечить этот синтез” (6. С.21).
Новые научные данные расширили взгляды на состав древней атмосферы Земли: обсуждается возможность существования не только восстановительной, но и нейтральной и окислительной атмосферы. Известно, что на Земле существуют два основных источника кислорода – фотохимические реакции и фотосинтез. Общепринято мнение, что скорость фотохимических реакций очень мала, чтобы обеспечить современный уровень кислорода в атмосфере. Однако, с точки зрения геофизиков, если в период, предшествовавший возникновению жизни, не существовало сложных процессов поглощения свободного кислорода, то он мог находиться за счёт фотосинтетических реакций в значительных количествах (всего за 60 млн. лет количество кислорода достигло бы величины, близкой к его современному содержанию в атмосфере) (6). Математическое моделирование палеоатмосферы также приводит к заключению, что за счёт абиогенных процессов древнейшая атмосфера Земли могла содержать в миллион раз больше кислорода, чем предполагалось ранее. Поскольку накопление кислорода в атмосфере не может происходить без одновременного удаления из системы Земли эквивалентного количества водорода, то с космической точки зрения рассеяние водорода в космическом пространстве – основная причина формирования окислительной атмосферы Земли (6. С.146).
Интересное предположение о составе палеоатмосферы высказал В.И.Бгатов. По его мнению, абиогенный кислород образуется в океанических впадинах при извержениях базальтов. Этот процесс мог иметь существенное значение для насыщения атмосферы кислородом на ранних этапах эволюции планеты (3. С.86).
Если наличие кислорода как окислителя в древней атмосфере Земли будет убедительно доказано, это приведёт к опровержению идеи абиогенного синтеза органических соединений и в целом гипотезы А.И.Опарина.
Известно, что все этапы абиогенеза, включая синтез мономеров, биополимеров, пробионтов, были смоделированы в лабораторных условиях и получили, таким образом, экспериментальное подтверждение. Но тогда логично поставить перед учащимися вопрос: правомерно ли проводить такие модельные эксперименты, если не учитывается главное условие эволюции – время?
Для понимания гипотезы А.И. Опарина важно также сообщить школьникам, что она представляет собой синтез биохимии и дарвинизма, только исходным свойством жизни в ней признавался обмен веществ, на развитие которого и был направлен предбиологический отбор. Наследственность и изменчивость рассматривались как следствие, а не как предпосылка отбора.
Существенно заметить, что, по А.И.Опарину, все этапы химической эволюции осуществлялись на Земле, а все особенности жизни выводились из клеток (организмов), игнорировались надорганизменные системы.
В связи с этим логично обратиться к гипотезам Дж.Бернала (2) и Г.В.Войткевича (4).
Английский биохимик Дж.Бернал относит к самым существенным свойствам жизни одновременно обмен веществ и самовоспроизведение. Предполагается, что абиогенно возникшие небольшие молекулы нуклеиновых кислот могли сразу соединиться с аминокислотами, которые они “кодируют”. Первичная живая система виделась как биохимическая жизнь без организмов (ранняя биосфера), осуществлявшая самовоспроизведение и обмен веществ. Обособление отдельных участков биохимической жизни с помощью мембран приводило к образованию организмов.
В гипотезе Г.В.Войткевича возникновение органических веществ переносится в космическое пространство, однако самопроисхождение жизни по-прежнему связывается с Землёй. Образование межзвёздных молекул происходит на основе частиц космической пыли, состоящих из силикатного ядра и ледяной оболочки. Под действием солнечной радиации аммиак и метан растворяются в воде, возникают радикалы, которые, комбинируясь друг с другом, образуют различные органические соединения. После разрушения пылинок эти соединения составляют молекулярные облака, рассеянные в космосе. По мнению Г.В.Войткевича, на первичной Земле мог оказаться весь набор органических веществ, синтезированных в космосе, включая нуклеотиды и даже молекулы ДНК. При рассмотрении дальнейших этапов биохимической эволюции Г.В.Войткевич следует идеям Дж.Бернала о биохимической жизни.
Важно подчеркнуть, что именно в рамках химических гипотез обсуждаются вопросы, связанные со средой возникновения жизни: какая жизнь была первичной – водная или сухопутная? Зародилась ли она в океанических желобах, в прибрежных районах морей и океанов или в областях активной вулканической деятельности?
В заключение обзора гипотез абиогенеза следует заметить, что обновлённая с учётом последних данных естествознания концепция А.И.Опарина служит программой для многих исследователей, считающих возможным переход химической эволюции в биологическую. Однако до настоящего времени между самыми сложными лабораторными моделями пробионтов и наиболее просто устроенными прокариотическими клетками существует огромный разрыв.
Идея абиогенеза согласуется с хорошо известной в естествознании гипотезой Большого взрыва. Данная гипотеза предполагает, что наша Вселенная возникла 15-20 млрд лет назад в результате взрыва всего одного протона. С этого момента началось расширение Вселенной, продолжающееся и ныне, и превращение материи в атомы, сгустки звёзд, галактик и их скоплений.
Переходя к рассмотрению биогенеза, необходимо отметить, что непрерывное изменение мира не обязывает нас искать в прошлом точку отсчёта, некоторое непременное начало, но позволяет думать, что мир вечен. Именно такой вывод вытекает из анализа космических (физических) гипотез. В их основе лежит признание коренного отличия живого вещества от неживого (косного). У истоков этих гипотез стоят работы Ф.Реди (1629-1698), развеявшего миф о самозарождении насекомых. Выводы учёного были сформулированы как эмпирическое обобщение: всё живое от живого.
Учащиеся с интересом узнают, что ещё в конце XVIII в. шотландский геолог Дж.Геттон высказывал странно прозвучавшую тогда идею: в геологии не видно ни начала, ни конца, геология имеет дело с явлениями геологично (планетарно) вечными, к ним относится и жизнь. Идеи Геттона развил английский геолог И.Лайель, сформулировав принцип актуализма: факторы, которые действуют ныне, определяли развитие природы в прошлом.
Л.Пастер не только блестяще доказал невозможность самозарождения микроорганизмов, но и обнаружил одну из существенных особенностей живого вещества – асимметрию. Она проявляется в элементарном составе живых организмов, который не соответствует составу земной коры, в преобладании одних изомеров и отсутствии других, а также в формах надмолекулярных, клеточных и организменных структур. Известно, что органическим молекулам свойственна зеркальная материя. Они могут существовать в двух структурных формах, схожих и вместе с тем отличных как левая и правая ладони. Но природные белки содержат только "левые" аминокислоты, а нуклеотиды – только “правые” сахара. Неживой природе присуща тенденция к равновесию между “левым” и “правым”. Остановив внимание на асимметрии молекул, Л.Пастер противопоставил живые организмы, в которых преобладают только одни изомеры и отсутствуют другие, неживой природе, где разные изомеры представлены в равных соотношениях. Не видя в земных условиях причин, которые могли бы вызвать асимметрию у первичных форм жизни, Л.Пастер связал их происхождение с космосом, где широко распространены асимметричные процессы и формы. (1. С. 382 – 383).