Сущность и происхождение жизни

Одним из трудноразрешимых, но в то же время таинственных и интересных в современной науке является вопрос о происхождении жизни. Он труден, потому что наука как форма культуры в рамках доказательности и проверки утверждений подходит к жизни как развитию нового на пределе своих возможностей. До сих пор ученые не в состоянии воспроизвести процесс возникновения жизни. Даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь экспериментом, лишенным ряда фактов, втиснутым в границы искусственного. Вопрос о происхождении жизни интересен не только сам по себе, но и тесной связью с проблемой сущности живого, его отличиями от неживого, эволюцией жизни.

В различные исторические периоды в научном знании существовали разнообразные трактовки, выделяющие те или иные особенности живого и жизни вообще - от механистического и виталистического до кибернетическо-информационного подходов. В современное понимание живого, наряду с традиционными атрибутами: 1) способностью к воспроизводству; 2) клеточным строением (структурой); 3) вещественным строением (белки и нуклеиновые кислоты); 4) способностью к росту и развитию; 5) раздражимостью, наследственностью; 6) изменчивостью и приспособленностью к среде, вводятся, например, информативность, организованность. Но обозначить четкие разграничения между живым и неживым до сих пор весьма проблематично. Кроме того, в определении жизни нужно учитывать всю ее многогранность и различную качественную проявленность: от клеточного, органического, животного, разумного до биосферного и ноосферного уровней. К важным свойствам живых систем относятся: 1) компактность (в семени, яйцеклетке содержится вся информация о будущем живом организме); 2) способность создавать порядок из хаотического теплового движения молекул и тем самым противодействовать возрастанию энтропии; 3) обмен с окружающей средой веществом, энергией, информацией; 4) жизнь качественно превосходит другие виды материи; 5) живые системы обладают прошлым; 6) жизнь организма зависит от двух факторов: наследственность (генетический аппарат) и изменчивости (окружающая среда); 7) способность к избыточному воспроизводству, что ведет к наличию естественного отбора.

Дать определение живому, значит ограничить его понимание в пределах той или иной парадигмальной установки. С точки зрения системного подхода (И. Пригожин) живое - это открытая, целеустремленная система, обменивающаяся с окружающей средой веществом, энергией, информацией. Изучение особенностей самоорганизации живой природы показывает, что вместе с усложнением организации живых систем происходит нарастание противоречий между их стремлением к сохранению гомеостазиса (стабильности, равновесия) и тенденций максимизировать эффективность поглощения и использования внешних энергий и вещества. По мнению Н.Н. Моисеева, особую роль в мировом эволюционном процессе играет принцип диссипации (рассеивания) энергии: если допустимо не единственное состояние системы (процесса), а целая совокупность состояний, согласных с законами сохранения и связями, наложенными на систему, то реализуется то ее состояние, которое отвечает минимальному рассеиванию энергии, или, то же, минимальному росту энтропии. С механистической точки зрения, жизнь - это особая форма движения, представляющая способ существования высокоорганизованной надмолекулярной системы организмов (Е.Ф. Солопов). С точки зрения кибернетического подхода (Н. Винер) живое - это саморегулируемая, самоуправляемая система, несущая в себе скрытые мотивы, тенденции, цели, которыми и определяется ее поведение, форма, тип. Н. Винер в 40-е годы ХХ века утверждал, что существование обратных связей у живых существ является одной из основных (может быть главной) особенностью, отличающей живую природу от неживой. " Мы действительно приблизимся к пониманию жизни, когда все структуры и функции на всех уровнях, от электронного до супрамолекулярного сольются в одно целое. До этого проводимые нами различия между структурой и функцией, между классическими химическими реакциями и квантовой механикой, между суб- и супра- молекулярным только подчеркивает ограниченность наших подходов и нашего понимания" [9]. Тем не менее возможность объединения всех точек зрения в науке на понимание и трактовку живого вряд ли разрешит его проблему.

Специфика и сущность жизни уходит своими корнями в вечный философский спор о материи и сознании (духе) и даже превосходит его, так как жизнь есть всеединство и рождается лишь во всеединстве первого и второго. В античной философской мысли данные идеи наиболее полно выразил Аристотель. " Жизнью мы называем всякое питание, рост и упадок тела, имеющие основание в нем самом... Душа необходимо есть сущность в смысле формы естественного тела, обладающего в возможности жизнью" [10]. Замыкаясь на субстанциальном, материальном, вещественном объяснить сущность живого невозможно. Не случайно доминирование духовного в аспекте определения жизни до XVIII века в философской мысли и естествознании оставалось незыблемым. Учение Г. Лейбница в этом смысле вообще стирает границу между живым и неживым, в той или иной степени обнаруживая духовную сущность во всем. Монада (неделимое) - это духовная субстанция, центр деятельной силы, " кирпичик Вселенной" - есть основа любого органического и неорганического вещества. Истоки научного знания о жизни - направление витализма (XVIII в. Т. Борде) - так же исходят из нескольких констант в определении живого, ведущей из которых выступает присутствие в живых телах нематериальной души. Кроме того, отмечается наличие жизненных сил, отличных от механических, отсутствие причинных связей между физико-химическими процессами и жизнью. Тем не менее, сегодня уже определенно ясно, что как в философии, так и в науке дуалистичность, равнозначность двух принципов: материального и идеального отражает наиболее ясный и полный подход в вопросе о живом. Насколько сложно осуществить такое глобальное, универсальное отношение к жизни, разумно установить широчайший диапазон ее возможностей, ее различных качественных форм продемонстрировало направление русских космистов (Н.Ф. Федоров, К.Э. Циолковский, Н.А. Умов, А.Л. Чижевский, В.И. Вернадский и др.).

Религиозная философия Н.Ф. Федорова совершенно по-новому раскрыла сущность жизни - вне феномена смерти. Смерть явилась не условием жизни, а проблемой истории. В.И. Вернадский отмечал космический характер жизни, веря в ее вечность и, возможно, даже считая ее первопричиной развития мира. Он ввел понятие " живого вещества", которое в отличие от косного всегда оптически активно. Молекулы его обладают общей ассиметрией, определяющей способность в поляризации света, который проходит через " живое вещество", делая все органическое активным. Именно " живое вещество" является носителем и создателем свободной энергии в таком масштабе, что она охватывает всю биосферу и определяет в основном всю ее историю. Необходимость данного понятия в науке В.И. Вернадский отстаивает опираясь на два факта. Первым является то, что живой организм - это неотъемлемая часть земной коры и агент ее изменяющий. Вторым, с одной стороны, резкое различие живого и косного веществ, с другой, их органическое взаимодействие в планетарном круговороте. Данное противоречие и пытается разрешить ученый. Раскрывая смысл понятий живого и косного вещества В.И. Вернадский формулирует две аксиомы: 1) организмы берут все химические элементы, строящие их тела, из окружающей среды и возвращают их после смерти и при жизни в ту же среду; 2) без небесных светил, в частности без Солнца, жизнь на Земле не может существовать. Непрекращающееся взаимодействие между жизнью и косным веществом, выражается в круговороте химических элементов. В этом постоянном обмене веществ Вернадский выделяет два биогенетических принципа: 1) геохимическая биогенная энергия стремится в биосфере к максимальному проявлению; 2) при эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию. Таким образом " живое вещество" связывает среду обитания и жизнь, стирая между ними противоречия и грани.

В.И. Вернадский отмечал возможность возникновения жизни только вместе с процессом образования самой Земли. Жизнь создалась на Земле при космических стадиях ее истории в условиях, неповторившихся в позднейшие геологические эпохи. Вечная во Вселенной жизнь явилась новой на Земле. " Материя непрерывно перемешивается: одни ее части уходят в солнца, а другие выходят из них. Всякой капле вещества, где бы она не находилась, неизбежно придет очередь жить" [11] - писал К.Э. Циолковский. Воля Вселенной в создании жизни - это выражение безусловности и необходимости. Космическое явление жизни в его понимании постоянно распространяется и меняется, не ограничиваясь пределами Земли.

Широкое развитие основ органической химии, создание теоретической биологии, молекулярной генетики, палеобиологии, направленных на исследование живого далеко проникли в механизмы его деятельности, физико-химические процессы внутри организма, раскрыли его структуру. Традиционные представления о структурном основании живого определяются в виде клетки. Дж. Кендрью объявляет клетку атомом в биологии. Каждая клетка содержит плотное образование - ядро, плавающее в цитоплазме, полужидком основании, огражденном клеточной мембраной. Выделяется сложно-иерархическая организация клетки: 1 элементарный уровень (атомарный), 2 элементарный уровень (мономолекулярный), 3 компонентный уровень (полимолекулярный), 4 надмолекулярный или субклеточный (уровень органелл клетки). В ХХ веке Л. Пастер произвел настоящую революцию в структурном строении живого, обнаружив диссиметрию, выразившуюся 1) в оптической активности веществ биологического происхождения; 2) в факторах, вызывающих диссиметрию молекул. Структурой, обеспечивающей целостность биологического объекта, является структура на уровне пространственной организации вещества живых систем, то есть ассиметрия его молекул, столь характерная для всех проявлений жизни.

Клетка располагает всеми признаками живого (самовоспроизведением, саморегуляцией, информативностью), в ней осуществляются процессы обмена веществ и превращение энергии. Основным составляющим клетки выступают белки, нуклеиновые кислоты, аминокислоты, липиды, углеводы и т.д. У всех живых организмов имеются свои особые молекулы белков сильно различающиеся по массе, содержанию остатков аминокислот и порядку их расположения. Нуклеиновые кислоты выступают хранителями наследственной информации и, кроме того, регулируют образование белков-ферментов, " отвечающих" за процессы обмена веществ (ДНК - является хранителем наследственной информации, РНК помогает передаче генетической информации в процессе биосинтеза). Но существуют и нестандартные теории, например Э. Шредингера, которая определяет структурное основание живого в виде атома. " Наиболее существенная часть живой клетки - хромосомную нить можно с полным основанием назвать апериодическим кристаллом" [12], он выступает материальным носителем жизни. Шредингер отмечает, что сам принцип дискретности, прерывистости наследственности, лежащей в основе теории гена очень созвучен атомарной теории строения вещества. Он отмечает удивительную регулярность и упорядоченность событий в жизненном цикле организма; строгость, закономерная устойчивость активной структуры живого, факторы, которые еще не находят должного объяснения.

Нужно подчеркнуть, что все отмеченные выше достижения науки далеко продвинулись как в молекулярно-химическом структурном анализе, так и в внутри органических процессах на различных уровнях живого, но проблема сущности жизни парадоксальным образом, стала еще более сложной и многоплановой. Это, безусловно, связано и с вопросом о происхождении, зарождении живого, который до сих пор является открытым.

Вплоть до ХIХ в естествознании доминировала позиция о самозарождении жизни. Это самая первая идея, которая была выдвинута как в философии, так и в естествознании. Аристотель утверждал, что определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, считая, что активное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном свете, тине, гниющем мясе. В XIX в. Л. Пастер в своих опытах продемонстрировал, что микроорганизмы появляются в органических растворах только потому, что туда раньше был внесен зародыш. Таким образом, опыты Пастера:

1. Доказали несостоятельность концепции самопроизвольного зарождения жизни;

2. Обосновали идею о том, что все современное живое происходит от живого.

Можно говорить о нескольких теориях происхождения жизни: 1) теория стационарного состояния, на основании которой жизнь существовала всегда; 2) теория панспермии - внеземного происхождения жизни; 3) теория химической эволюции; 4) креационизм - теория божественного творения. Согласно теории стационарного состояния Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень мало; виды также существовали всегда и у каждого вида есть только две возможности – либо изменение численности, либо вымирание. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что, только изучая ныне живущие виды и, сравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным.

В 1865 году немецкий ученый Г. Рихтер разработал гипотезу занесения живых существ на Землю из космоса. Зародыши могли попасть на Землю вместе с метеоритами и космической пылью и положить начало эволюции всего живого, которая породила все многообразие земной жизни. Эта концепция называлась концепцией панспермии. Ее разделяли такие ученые, как Г. Гельмгольц, У. Томпсон, что способствовало ее широкому распространению в науке. Но она не получила научного доказательства, так как примитивные организмы или зародыши должны были погибнуть под действием ультрафиолетовых и космических лучей.

В конце ХIХ века Э. Геккель выдвинул идею постепенной химической эволюции, в ходе которой возникло живое. Он связал этот факт с существованием определенных условий: 1) наличием плазмы (или протоплазмы), химической субстанции, находящейся в вязко-жидком состоянии агрегации и содержащей всегда в качестве главных составляющих белок и воду; 2) наличие определенных химических и физических процессов жизнедеятельности возможно только в определенных температурных границах; 3) жизнеспособность за пределами данных границ резко падает. В 1859 г. была сформулирована теория Ч. Дарвина. Выводы ее гласили: 1) особи, входящие в состав популяции, обладают большим репродуктивным потенциалом; 2) число особей в каждой данной популяции примерно постоянно, поэтому многим особям не удается выжить и оставить потомство. В популяции происходит борьба за существование; 3) те особи, признаки которых лучше, более репродуктивны, таким образом, можно констатировать наличие естественного отбора. Решающий фактор, определяющий выживание - это приспособленность к окружающей среде. В ХХ веке генетика опровергла представления Ж.Б. Ламарка о наследовании приобретенных при жизни признаков, именно данный постулат явился одним из главных камней преткновения дарвиновской теории. Критика дарвинизма ведется до сих пор. Концепция номогенеза, например, утверждает, что изменения происходят не беспорядочно и случайно, а по законам форм.

В 1924 г. в книге А.И. Опарина " Происхождение жизни" была впервые сформулирована естественно-научная концепция. В вещественном плане для образования и становления жизни нужен, прежде всего, углерод. Углерод способен создавать разнообразные, подвижные, низкоэлектропроводные, насыщенные водой структуры. Кислород, водород, азот также необходимые составляющие живого. Клетка состоит на 70% из кислорода, 17% из углерода, 10% водорода и 3% азота. Данные элементы легко соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малым атомным весом, кроме того, они наиболее распространенные элементы во Вселенной. А.И. Опарин полагал, что появлению жизни предшествовала длительная эпоха рождения новых химических структур, из которых затем образовались сложные органические вещества и протоклетки. Тем не менее, переход от сложных органических веществ к простым живым организмам пока не ясен. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему. С точки зрения Опарина, решающая роль в превращениях неживого в живое принадлежала белкам. Белковые молекулы способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов, притягивая к себе молекулы воды и создавая оболочку. Эти комплексы могут обособится от всей массы воды и образовывать своего рода эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом приводит к отделению коллоидов от водной среды. Этот процесс называется коацервация (от лат. – сгусток). Коллоидный состав коацервата, очевидно, зависел от состава среды. Разнообразие состава " бульона" в различных местах вело к различиям в химическом составе коацерватов и поставило сырье для " биохимического естественного отбора".

На границе между коацерватами – сгустками органических веществ – могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны. Такая продолжительная последовательность событий должна была привести к возникновению примитивного воспроизводящего организма, питавшегося органическими веществами " первичного бульона".

Существенным недостатком гипотезы академика А.И. Опарина, является то, что она не опирается на современную молекулярную биологию. Это вполне объяснимо – механизм передачи наследственных признаков, в частности роль ДНК, стал в известной степени ясным только недавно. Как произошел качественный скачок от неживого к живому, гипотеза Опарина совершенно не объясняет. Только с привлечением молекулярной биологии, кибернетики, а также синергетики становиться возможным в какой-то мере решить данную проблему. Важным вопросом является возможность синтеза ДНК в естественных условиях " первобытной" Земли.

Нужно отметить, что эволюционные теории являются лишь теоретическими моделями возникновения и прогрессивного усложнения живого. Основываясь на современных научных данных, можно говорить о том, что 3 - 3, 5 млрд. лет тому назад появилась качественно новая организация материи, которая обладала удивительной способностью усваивать внешнюю энергию (прежде всего энергию Солнца), с помощью реакции фотосинтеза. Возникли организационные формы, способные не только рассеивать энергию, но и накапливать ее. Одновременно, эти формы обладали невероятной способностью сохранять свой гомеостазис (внутреннее равновесие, стабильность), высокую степень адаптации к быстроменяющимся условиям. Прокариоты были практически бессмертны. Эта ветвь самоорганизации оказалась тупиковой, но она обеспечила создание газовой оболочки Земли. Эукариоты, более совершенные виды живой материи, обладали кислородным дыханием, что давало возможность локального снижения энтропии. В силу этого они превратились в смертные организмы. С момента появления эукариотов начинается быстрое совершенствование видов и стремительный рост их разнообразия. Формируются генетический код, наследование, память. Сегодня идея коэволюции (кооперации, взаимодействия) является одной из ведущих в системе проблем происхождения живого. Удивительная согласованность всех видов жизни выступает следствием принципа коэволюции.

В ряду самых замечательных открытий биологии ХХ века стоит установление структуры молекулы ДНК (Ф. Крик, Дж. Уотсон, М. Уилкинс). Универсальность гена, его стабильность и неповторимость толкнули ученых на создание " фантастической гипотезы", определяющей Человека Разумного орудием, упаковкой для претворения Универсального Разума Вселенной. Доводом в пользу этой модели служит наличие в белке молибдена в количестве непропорционально большем, чем его имеется на Земле, что может свидетельствовать о космической эволюции ДНК и жизни на нашей планете.

Парадоксальным образом достижения науки и естествознания в ХХ веке во многом усложнили проблему жизни. И объяснение природы качественного скачка от неживого к живому еще далеко от ясности. Загадка жизни до сих пор остается неразрешимой не только в силу многокачественности, многоуровневости ее форм, не только потому что остается тайна о ее происхождении, но и в силу отсутствия универсального, цельного, единого взгляда на данный вопрос, без которого сущность, смысл живого уяснить невозможно. Ф. Крик: " Мы не видим пути от первичного бульона до естественного отбора. Можно прийти к выводу, что происхождение жизни – чудо, но это свидетельствует только о нашем незнании".

Литература

1. Бернал Дж. Возникновение жизни. М., 1969.

2. Вернадский В.И. Живое вещество. М., 1986.

3. Вернадский В.И. Начало и вечность жизни. М., 1989

4. Веселовский В.Н. О сущности живой материи. М., 1971.

5. Грибетайн К. Стратегия жизни. М., 1968.

6. Опарин А.И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитияе. М., 1960

7. Серебровская К.Б. Сущность жизни: история поиска. М., 1994.

8. Тейяр де Шарден П. Феномен человека. М., 1987.

9. Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь. М., 1973.

10. Шредингер Е. Что такое жизнь с точки зрения физики. М., 1977.

11. Штеренберг М.И. Проблемы Берталанфи и определение жизни.// Вопросы философии, 1996, № 2.

12. Югай Г.А. Общая теория жизни. М., 1987.