1.2. НАУЧНЫЕ ГИПОТЕЗЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ

О происхождении жизни на планете существует целый ряд теорий, в подтверждение правильности которых трудно сказать что-то наверняка. Многие из этих теорий и предлагаемые ими объяснения существующего разнообразия видов используют одни и те же данные, но делают упор на разные их аспекты.

Предположение о самопроизвольном (спонтанном) зарождении жизни было распространено в древнем Китае, Вавилоне и Египте в качестве альтернативы божественному сотворению мира. Аристотель на основе собственных наблюдений связывал все организмы в непрерывный ряд. Он писал, что «природа совершает переход от безжизненных объектов к животным с такой плавной последовательностью, поместив между ними существа, которые живут, не будучи при этом животными, что между соседними группами, благодаря их тесной близости, едва можно заметить различия». Согласно гипотезе Аристотеля о спонтанном зарождении, определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Он ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном свете, тине и гниющем мясе. С распространением христианства теория спонтанного зарождения жизни не признавалась, но как идея продолжала существовать в течение многих лет.

Исходя из теории стационарного состояния, Земля никогда не возникала, а существовала вечно и всегда способна была поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно. Виды также никогда не возникали, они существовали всегда и у каждого вида есть лишь две возможности – либо изменение численности, либо вымирание. Большая часть доводов в пользу этой теории связана с малообъяснимыми разрывами в палеонтологической летописи. Эта теория наиболее подробно разработана именно в этом направлении.

Согласно гипотезы панспермии, которую сформулировал Герман Рихтер (Herman Richter) в 1865 г., жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время и в разных частях Галактики или Вселенной. Эту идею поддержали Г. Гельмгольц, С. Аррениус и У. Томпсон (H. Helmholtz, S. Arrhenius, W. Thomрson).

С. Аррениус считал, что жизнь не зародилась на нашей планете, а была занесена спорами, путешествующими по космическому пространству. Попав на планету с подходящими природными условиями, споры претворяются в клетки, из которых затем рождается все живое. С. Аррениус путем расчетов, в частности, доказал принципиальную возможность переноса бактериальных спор с планеты на планету под действием давления света. После открытия космических лучей и выяснения действия радиации на биологические объекты позиция этой гипотезы весьма ослабла.

Профессор Техасского технологического университета (Texas Tech University) и куратор музея палеонтологии при университете Санкар Чаттерджи (Sankar Chatterjee) после анализа информации о ранней геологической истории планеты и сопоставления этих данных с различными теориями химической эволюции пришел к выводу, что появление ранних форм простейшей жизни на планете было бы невозможным без участия упавших на нее комет и метеоритов. При изучении в них были обнаружены органические соединения, которые могли дать начало развитию жизни. Это обстоятельство в различной степени учитывалось разными авторами гипотез о происхождении жизни. Особого внимания заслуживает факт нахождения органических веществ в метеоритах. По данным ядерной геохронологии их возраст составил 4,6−4,5 млрд лет, что в основном совпадает с возрастом Земли и Луны. В метеоритах найдены углеводороды, углеводы, пурины, пиримидины, аминокислоты, т. е. химические соединения, входящие в состав живого вещества, составляя его основу. Также обнаружено более сотни различных минералов. Кроме того, в метеоритах найдено 20 минералов, которых нет в земной коре. Среди них карбиды, сульфиды и др. Близость к составу органических комплексов биологического происхождения оказалась настолько большой, что некоторые авторы высказали предположение, что в прошлом живые организмы встречались непосредственно в самих метеоритах. Однако тщательные исследования органических соединений, взятых из метеоритов, не подтвердили наличия оптической активности, что свидетельствует об их абиогенном происхождении. В то же время полученные данные продемонстрировали, что образование органических соединений в Солнечной системе на ранних этапах ее развития было типичным и массовым явлением. Однако химические вещества космического пространства и большинства тел Солнечной системы не имеют той сложности живого вещества, как это наблюдается на Земле.

Гипотезы панспермии придерживался и академик В. И. Вернадский. По его мнению, жизнь по Вселенной распространяется при помощи спор с квантами света. На Земле жизнь могла зародиться при попадании на нее метеорита, являющегося частицей другой планеты, распавшейся в результате какой-то катастрофы. Осколки такой планеты с бактериями или другими микроорганизмами могли выйти за ее пределы и попасть на Землю.

Фред Хойл и Чандра Викрамасинг (Fred Hoyle, Chandra Wickramasinghe), изучая свойства межзвездного вещества, заметили, что инфракрасные спектры космической пыли очень похожи на спектры органического вещества, в частности сухих бактерий. Наблюдения этих ученых послужили основанием для выдвижения идеи о возможности существования микроорганизмов в облаках космической пыли межзвездного пространства. Они предположили, что в промежутке времени 4,6−3,8 млрд лет тому назад появление жизни на Земле явилось результатом попадания микроорганизмов из космического пространства. Согласно их расчетам, ежегодно в верхнюю атмосферу Земли поступает большое количество космических спор в качестве остатков твердого материала, рассеянного в Солнечной системе. По их представлениям, кометы являются переносчиками зародышей жизни, которые образовались ранее в межзвездном пространстве.

Фрэнсис Крик (Francis Crick), получивший Нобелевскую премию за открытие кода ДНК, в своей книге «Сама жизнь: ее происхождение и природа» (Life Itself: Its Origin and Nature, 1982) также предполагал, что жизнь на Земле не появилась сама собой, а возникла путем управляемой панспермии, т. е. путем намеренного заселения Земли микроорганизмами, доставленными на непилотируемых космических аппаратах развитой инопланетной цивилизацией, которая, возможно, пыталась произвести терраформирование для будущей колонизации.

Профессор Бостонского университета М. Шерман (М. Sherman) предложил гипотезу искусственного появления «универсального генома» в Кембрии для объяснения причин так называемого кембрийского взрыва в эволюции многоклеточных. Причем он настаивает на научной проверяемости своей гипотезы.

В пользу своих взглядов сторонники гипотезы панспермии приводят два косвенных доказательства: универсальность генетического кода и необходимость наличия молибдена для нормального метаболизма всех живых существ, который в настоящее время на планете встречается крайне редко. Сторонники теории кометной панспермии отрицают управляемость процессом распространения жизни с одной планеты на другую, а предполагают его самопроизвольность и случайность.

Учитывая, что вероятность самозарождения жизни на Земле ничтожно мала, гипотеза панспермии является наиболее реальной по сравнению с эволюционной теорией и религиозными представлениями. Ее недостаток заключается в том, что она не объясняет, каким образом и где сформировались первые микроорганизмы, попавшие на Землю, она лишь указывает другое место, где она могла возникнуть, но не объясняет процесс и причины этого возникновения.

1.3. ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

Теория эволюции занимает особое место в изучении истории возникновения жизни на Земле. Жан-Батист Ламарк (Jean-Baptiste Lamarck) впервые выделил два наиболее общих направления в развитии жизни на Земле: восходящее развитие от простейших форм ко все более сложным и совершенным и формирование в организмах приспособлений в зависимости от условий внешней среды (развитие по вертикали и по горизонтали). В своих трудах ученый отмечал историческое развитие организмов, которое имеет не случайный, а закономерный характер и происходит в направлении постепенного и неуклонного совершенствования. Он считал, что развитие организмов не является самопроизвольным процессом. По его мнению, «стремление природы к прогрессу», «стремление к совершенствованию» изначально присущее всем организмам и заложено в них Творцом. В своем труде «Философия зоологии» он утверждал, что последующие поколения способны наследовать полезные приобретенные свойства формируя таким образом новые виды. Например, по его мнению, жирафы произошли от антилоп вследствие постоянного вытягивания шеи, когда пытались дотянуться до листьев на верхушках деревьев.

Вдохновившись подобными примерами, Ч. Дарвин продолжил ламарковский ряд предположений. В своей книге «Происхождение видов путем естественного отбора» он раскрыл основные факторы эволюции органического мира. Примерно в это же время Альфред Рассел Уоллес (Alfred Russel Wallace) написал статью под названием «О законе, регулирующем возникновение новых видов» (On the Law Which Has Regulated the Introduction of New Species), в которой пришел к мысли о «выживании наиболее приспособленных».

Ч. Дарвин обосновал теорию постепенной эволюции одних видов в другие под влиянием таких факторов, как выживание сильнейших, борьба за существование, естественный отбор и приспосабливаемость к условиям внешней среды.

Сущность эволюционного учения заключается в следующих основных положениях:

1. Все виды живых существ, населяющих Землю, никогда не были кем-то созданы.

2. Возникнув естественным путем, органические формы медленно и постепенно преобразовывались и совершенствовались в соответствии с окружающими условиями.

3. В основе преобразования видов в природе лежат такие свойства организмов, как наследственность и изменчивость, а также постоянно происходящий в природе естественный отбор.

4. Естественный отбор осуществляется путем сложного взаимодействия организмов друг с другом и с факторами неживой природы; эти взаимоотношения Ч. Дарвин назвал борьбой за существование.

5. Результатом эволюции является приспособленность организмов к условиям их обитания и многообразие видов в природе.

Согласно этим положениям, внутри каждого вида может образоваться разновидность, наделенная новыми особенностями, позволяющими по-иному приспосабливаться к среде обитания. Если вновь приобретенные качества наследуются, то генетические различия усиливаются в последующих поколениях за счет отбора свойств, обеспечивающих выживание генотипов, и накопления новых мутаций. Разновидность лучше приспосабливается к существующим условиям, фенотипически удаляясь от родительского вида. Внутривидовая конкуренция приводит к избирательному удалению наименее приспособленных к среде особей и увеличению количества особей, свойства которых способствуют выживанию и размножению в этой среде. По мнению сторонников эволюционной теории такой естественный отбор является основным механизмом возникновения новых видов. Эволюция – это процесс длительных и постепенных качественных изменений, которые в итоге завершаются возникновением новых видов.

По мнению тех же сторонников эволюционной теории, данные палеонтологии, биогеографии, систематики, селекции растений и животных, морфологии, сравнительной эмбриологии и сравнительной биохимии подтверждают эволюционное возникновение видов путем естественного отбора, хотя они не являются бесспорными доказательствами. Для подтверждения приводятся три группы фактов. Первая – это примеры незначительных изменений видов, наблюдаемые за геологически короткий промежуток времени в дикой природе, а также результаты селекции сельскохозяйственных растений и домашних животных. Вторая – палеонтологическая летопись, которая свидетельствует о значительной изменчивости жизни на протяжении всей истории Земли. К третьей группе доказательств относится сходство морфологических особенностей строения всех организмов, что может свидетельствовать об общем их происхождении. Все объяснения обнаруженных фактов сводятся к самопроизвольному случайному процессу без интеллектуального вмешательства в систему программирования.

Чарльз Дарвин сформулировал свою теорию эволюции по морфологическим и физиологическим признакам, используя представления о естественном отборе, но не определил, что является источником изменчивости в популяции. В середине прошлого века была разработана синтетическая теория эволюции, объединившая идею дарвиновского естественного отбора с законами наследственности и данными популяционной генетики. В настоящее время она является наиболее разработанной системой представлений о процессах видообразования. Толчком к ее развитию послужила гипотеза о рецессивности новых генов, согласно которой в каждой воспроизводящейся группе организмов при созревании гамет в результате ошибок при репликации ДНК постоянно возникают мутации, создающие новые варианты генов. Поэтому важнейшим фактором эволюции является мутационный процесс, а основную массу эволюционного материала представляют различные формы мутаций, которые проявляются изменением наследственных свойств организмов, возникающих естественным путем или вызванных искусственными средствами. После возникновения между популяциями различных типов изоляции, они начинают эволюционировать независимо, в результате чего между ними постепенно накапливаются генетические различия, и через некоторое время достигается генетическая несовместимость – скрещивание оказывается невозможным.

В известной книге английского биолога-экспериментатора и натуралиста Джулиана Хаксли (Julian Huxley) «Evolution: The Modern Synthesis» (1942) показано, что вид является системой популяций, репродуктивно изолированных от популяций других видов, и каждый вид экологически обособлен; видообразование заключается в возникновении генетических изолирующих механизмов и осуществляется преимущественно в условиях географической изоляции. По представлениям Дж. Хаксли, репродуктивная изоляция – главный критерий, свидетельствующий о завершении видообразования.

Согласно синтетической теории эволюции, образование новых видов происходит в результате разделения особей одного вида на группы, не скрещивающиеся между собой, а сама эволюция определяется как изменение с течением времени генетической структуры популяций. Частота одной из аллелей изменяется становясь более или менее распространенной среди других форм этого гена. Действующие силы эволюции ведут к изменениям в частоте аллели в одну или в другую сторону. Изменение исчезает тогда, когда новая аллель достигает точки фиксации – целиком заменяет предковую аллель или исчезает из популяции. Мутации увеличивают изменчивость в популяции за счет появления новых аллельных вариантов генов – мутационной изменчивости. Если какая-либо аллель увеличивает приспособляемость организма больше, чем другие аллели этого гена, то с каждым поколением доля этой аллели в популяции будет расти, т. е. отбор происходит в пользу этой аллели. Эволюция посредством естественного отбора – это процесс, при котором закрепляются мутации, увеличивающие приспособленность организмов. В итоге для осуществления эволюции необходимо наличие трех процессов: мутационного, генерирующего новые варианты генов с малым фенотипическим выражением; рекомбинационного, создающего новые фенотипы особей, и селекционного, определяющего соответствие этих фенотипов данным условиям обитания или произрастания.

Судя по палеонтологической летописи и по измерениям скорости мутаций, представители этой концепции считают, что полная несовместимость геномов, делающая невозможным скрещивание, достигается в природе в среднем на протяжении 3 млн лет. Поэтому наблюдение образования нового вида в естественных условиях является редким явлением.

Кроме мутационной выделяют также комбинативную изменчивость, которая обусловлена рекомбинацией, но она приводит не к изменениям частот аллелей, а к их новым сочетаниям. Еще одним фактором, способствующим изменению частот аллелей, является дрейф генов.

Синтетическая теория эволюции отличается от эволюции Ч. Дарвина такими положениями:

1. Выделяет популяцию, в которой особи одного вида способны скрещиваться между собой, а не отдельную особь или отдельный вид.

2. В качестве процесса эволюции рассматривает устойчивое изменение генотипа популяции.

3. К ведущим факторам относят мутационные процессы и изоляцию.

4. Материалом для эволюции являются мутационная и рекомбинационная изменчивость.

5. Естественный отбор рассматривается в качестве главной причины развития адаптаций и видообразования.

В соответствии с синтетической теорией эволюции видообразование является длительным процессом. Однако Д. В. С. Холдейн (J. B. S. Haldane) путем математических расчетов обнаружил несоответствие реальной скорости видообразования и ожидаемой исходя из популяционно-генетической модели (дилемма Холдейна). Результаты своих исследований он поместил в статье «Стоимость естественного отбора» и опубликовал в научном издании Journal of genetics. Д. Холдейн рассчитал математическое соотношение между интенсивностью отбора и скоростью замещения существующих аллелей в популяции другими, более приспособленными. Также он оценивал смертность, вызванную положительным естественным отбором, при сохранении мутантного гена. По его расчетам, для поэтапной реализации видообразования потребовалось бы значительно больше времени, чем это реально наблюдается (по палеонтологическим данным). В дальнейшем М. Кимура, изучая скорости аминокислотных замен в белках, обнаружил, что скорость замен на геном на поколение для млекопитающих превышала оценку Холдейна в несколько сот раз. Кимура показал, что для поддержания постоянной численности популяции при одновременном сохранении мутационных замен, скорость появления которых равна одной замене в два года, каждый родитель должен оставлять 3.27 106 потомков, чтобы один из них выжил и начал размножаться. Несоответствие этой огромной цифры с реальными данными послужило основанием для разработки «теории нейтральной молекулярной эволюции». Другим аргументом создания этой теории было то, что для объяснения скорости молекулярной эволюции, при условии ее протекания под действием естественного отбора, необходимо предполагать, что благоприятные мутации должны появляться очень часто, в то время как они возникают гораздо реже неблагоприятных.

Основное содержание гипотезы «нейтральной эволюции» сводится к положению, что большинство изменений на макромолекулярном уровне осуществляется не под контролем естественного отбора согласно теории Дарвина, а обусловлено случайным дрейфом нейтральных мутаций. По мнению авторов, эта теория подтверждается целым рядом прямых и косвенных аргументов. В то же время теория нейтральной молекулярной эволюции не отрицает роли естественного отбора в развитии жизни на Земле, а касается доли мутаций, имеющих приспособительное значение. Эта теория продемонстрировала, что процессы, связанные с видообразованием, еще далеки до окончательного объяснения исходя из популяционно-генетических моделей.