В основании этого направления лежит сформулированная в рамках неравновесной термодинамики теория диссипативных структур. К классу диссипативных структур относятся все без исключения биологические и социальные системы, а также некоторые химические и физические системы, в которых существуют незатухающие динамические явления.
Фактически в рамках теории диссипативных структур сформулирован целый ряд универсальных законов появления, развития и отмирания природных систем, которые справедливы в частности и для широкого класса биологических систем.
Кратким итогом сказанного выше являются три основных требования к среде, в которой зародилась жизнь:
Среда должна быть высокотемпературной;
В ней должны были происходить сильные колебания термодинамических и физико-химических параметров.
Среда должна быть жидкой.
Рассмотрим на основе этих критериев возможные среды, в которых могла возникнуть жизнь.
На планете Земля известны две жидкие глобальные геологические системы - гидросфера, объединяющая приповерхностные воды, главная масса которых сконцентрирована в океане и гидротермальные системы, представляющие обычно высокотемпературные глубинные потоки растворов, составленные из ювенильных и вадозных вод. Общее сопоставление химического состава планетарного океана и усредненного состава гидротермальных источников показывает наличие большого сходства. Эта особенность является естественной, поскольку океан формировался за счет мощных гидротермальных излияний в ходе геологического развития Земли.
Переходя ко второму критерию среды возникновения жизни - ее высокотемпературности - следует сделать выбор из этих двух сред в пользу гидротермальных систем. Хотя следует отметить, что критерий высокотемпературности не позволяет сделать окончательный выбор между океаном и гидротермальными системами, так как в случае исходно горячей Земли первичный океан тоже должен быть достаточно горячим.
Третье требование к среде - сильная неравновесность - является ключевым. Требования сильной неравновесности среды, необходимой для спонтанного возникновения явлений самоорганизации, означает наличие в среде сильных флуктуаций. Амплитуда флуктуаций должна быть велика для преодоления критического рубежа, за которым начинаются процессы самоорганизации. При небольших колебаниях параметров относительно средних равновесных значений никакой самоорганизации не происходит, последняя возникает только вдали от состояния равновесия. Оценивая с этих позиций степень возможных флуктуаций в океане можно сказать, пользуясь терминологией неравновесной термодинамики, что океан находится в состоянии аттракции, или относительно (подвижного) равновесия, которое характеризуется небольшими колебаниями параметров вокруг равновесных значений. Принципиально иными в рассматриваемом аспекте являются гидротермальные системы. Кардинальное отличие гидротермальных систем от океана заключается в том, что они обладают собственной мощной энергетикой. Вследствие избытка свободной энергии в системе периодически происходит накопление напряжений, выражающееся в возрастании интенсивных параметров (температуры и давления). Так же периодически накопленные разряжаются, приводя к увеличению экстенсивных параметров - объема преобразованного растворами минерального вещества. Такая внутренняя активность гидротермальных систем и вызывает постоянные и различные по амплитуде флуктуации, поддерживающие состояние неравновесности. Таким образом, наиболее вероятной средой для возникновения жизни являются глубокие области гидротермальных систем (от глубин в несколько километров до поверхности). Эта область характеризуется:
наличием высокотемпературной жидкой, существенно водной среды;
существованием в ней мощных динамических возмущений, и флуктуаций термодинамических и физико-химических параметров;
присутствием разнообразного растворенного и дисперсного органического вещества.
Эту зону автор рассматривает как своеобразный природный инкубатор, в котором зародились первичные эмбриональные формы протожизни.
4. Энергия и происхождение жизни на Земле
В процессе гравитационного коллапса звезд гравитационная энергия превращается в тепло и энергию световых квантов, инициируя реакцию слияния протонов в -частицы. Дальнейшее сжатие и сопровождающий его разогрев звезды создают условия для синтеза из -частиц ядер углерода. В этих процессах высвобождается громадное количество энергии - намного больше чем при изменении гравитационной энергии. Это происходит за счет превращения вещества в энергию в реакциях нуклеосинтеза. В CN-цикле протоны сливаются в -частицы, при этом углерод выступает в роли катализатора. Кроме того, -частицы могут и непосредственно взаимодействовать с ядрами кислорода, порождая ядра неона, магния, кремния и серы. В процессе фоторасщепления ядер энергия электромагнитного излучения инициирует образование и более тяжелых ядер вплоть до ядер железа. Таким образом, в образовании химических элементов участвуют источники энергии четырех типов: гравитационной, тепловой, ядерной и энергии световых квантов.
4.1 Образование малых молекул
Химические элементы образовавшиеся в ходе звездного нуклеосинтеза, объединяются друг с другом при относительно низких температурах на поверхности твердой коры планеты и образуют широкий спектр малых молекул. Под действием потоков энергии (молнии, УФ-излучение, вулканическое тепло) наиболее стабильные молекулы (СО2, N2, Н2О) превращаются в более сложные соединения (сахара, и аминокислоты) которые становятся “строительными блоками” жизни.
4.2 Возникновение мономеров
Простые молекулы-предшественники под действием потоков энергии различной природы соединяются с образованием мономеров. Моделируя в лаборатории условия, существовавшие на примитивной Земле, и используя в качестве простых молекул СН4, СН2О, Н2О и NH3 удалось получить аминокислоты, сахара и азотистые основания (составляющие ДНК и РНК).
4.3 Смешанные олигомеры
Смешанные олигомеры - биологически важные молекулы - образующиеся из мономеров в ходе реакции конденсации. Этот механизм формирования более крупных молекул является универсальным в биологии.
4.4 Энергетические условия полимеризации
Для создания любого полимера организм должен затратить энергию. Связано это с тем что биологические полимеры находятся в водной среде, где весьма вероятен их гидролиз.
Живые организмы получают необходимую им энергию за счет каталитически активных ферментов.
Это и есть суть проблемы Уробороса Уроборос - мифологический змей, символизирующий идею самозарождения.: создание полимеров требует наличия полимеров.
Иными словами: для того чтобы получить энергию, необходимую для синтеза полимеров, необходимо затратить энергию.
Рассматривая энергетически метаболизм и процессы полимеризации активированных мономеров, мы сталкиваемся с одним интересным моментом: продукты этих процессов, полимеры, являются очень важными компонентами молекулярного аппарата, при помощи которого сами эти полимеры образуются.
В этом смысле полимеры представляют собой самозарождающиеся объекты. Их синтез служит иллюстрацией головоломки Уробороса на молекулярном уровне, и разгадка этой головоломки аналогична решению проблемы самозарождения механизма синтеза полимеров.
5. Химические реакции, протекающие на примитивной Земле
На примитивной Земле протекали различные химические процессы, но особую роль играли те из них, в основе которых лежит фосфор. В конечном счете именно с помощью энергии фосфатной связи появилась возможность направлять энергию геофизических окислительно-восстановительных реакций на инициацию процессов в органическом веществе, существовавшем на ранней Земле. Благодаря превращению энергии окислительно-восстановительных реакций в энергию фосфатных связей произошла энергетическая инициация полимеризации мономеров.
5.1 Энергетический метаболизм и синтез полимеров в современных организмах
Подойти к решению проблемы перехода от неживой материи к живой позволяет изучение механизмов, используемых современными организмами для генерации энергии фосфатных связей и синтеза полимеров. Это помогает также выявить те компоненты и механизмы, которыми должен был обладать примитивный Уроборос, чтобы считаться “живым”.
Живая клетка использует белки в различных целях. Большинство видов белков является ферментами, катализирующими множество реакций, включая те из них, которые обеспечивают энергетический метаболизм, синтез мономеров и полинуклеотидов.
Полинуклеотиды используются клетками, прежде всего в процессе синтеза белков. Комплиментарность нуклеотидов четко контролирует аминокислотную последовательность синтезируемых белков и гарантирует правильность нуклеотидной последовательности в полинуклеотидах, образующихся в процессе репликации при размножении организма.
5.2 Возникновение Уробороса
Пытаясь построить модель примитивного Уробороса, мы все время должны помнить, что все события происходили в геологическом масштабе времени.
Относительно простой, примитивный Уроборос не мог возникнуть мгновенно даже после того, как на первобытной Земле были созданы условия, благоприятные для зарождения жизни.
5.3 Протеиноидные микросферы
Протеиноиды - термические белки. Образуются при самопроизвольном синтезе аминокислотных цепей.
Длина и состав протеиноидов зависит от состава исходной аминокислоты, температуры и других условий.
Биохимики обнаружили, что при растворении протеиноидов в воде они спонтанно образуют сферы диаметром примерно 1 мкм.
Такие объекты получили название микросфер.
5.4 Переход от неживого к живому
Поскольку существовали микросферы, способные к синтезу РНК и, следовательно, небольших белков, то определенные последовательности РНК могли случайным образом кодировать короткие белки, способные катализировать копирование РНК (т. е. белки, обеспечивающие полимеризацию нуклеотидов на существующей молекуле РНК).
Вторая копия этой РНК была бы идентична исходной РНК.
Таким образом, эта модельная РНК могла функционировать как способный к воспроизведению ген, т. е. могла возникать самовоспроизводящаяся система - Уроборос.
Очень важной особенностью предложенной примитивной модели является ее эволюционные возможности: неточная репликация трансляция гена создает основу той самой мутабильности, которая может привести к отбору систем, обладающих наиболее совершенными механизмами энергетического сопряжения и использования энергии.
Заключение
Зарождение жизни - точка отсчета для развития всего живого мира на Земле. Именно в этот момент начали функционировать фундаментальные законы существования живых организмов, которые с ходом поступательного развития жизни становились только более многоуровневыми и дифференцированными. Не поняв существа этих базисных законов, мы лишаем себя возможности осмыслить целый ряд важнейших аспектов в эволюционной биологии, цитологии, микробиологии, экологии, учении о биосфере и других науках, включая медицину и валеологию Валеология - наука о профилактическом укреплении здоровья.. Можно сказать, что понимание причины и механизма возникновения первичных живых форм является тем ключом, который облегчит проникновение в тайны существования растений, животных и человека, и поможет найти оптимальные подходы к их гармоничному, или органичному, сосуществованию. Именно поэтому "ориджинология Ориджинология (originology) - наука о происхождении жизни, располагающаяся на стыке геологии, биологии, химии и неравновесной термодинамики. Этот термин предлагается автором в данной работе впервые." - должна занять достойное место в ряду других наук.
Кроме познавательного аспекта, ориджинология имеет важнейшее практическое значение. В настоящее время на планете быстрыми темпами развиваются глобальные изменения, связанные, прежде всего с ухудшением состояния экосистем и здоровья населения планеты. Многие ученые сходятся во мнении, что главным резервом, на который человечество может опираться в своем дальнейшем существовании, является системный ресурс биосферы. Другим резервом, является системный ресурс самого человека, его огромные потенциальные возможности, которые могут развертываться в трудных ситуациях. В решении обоих этих проблем могут быть использованы знания, накопленные учеными в ходе исследований, посвященных возникновению жизни на Земле.
Сравнивая первые теории, выдвинутые несколько десятилетий назад Опариным, Холдейном и Берналом - первопроходцами в этой области исследований, - с положениями, достигнутыми к настоящему времени, мы видим, как из набора слабо обоснованных фактами гипотез, выросла современная теория, как неизмеримо увеличились наши знания. Мы знаем теперь слабые места исходных гипотетических построений. На многих примерах мы поняли, какие из этих построений надо отбросить, какие заслуживают сохранения. В результате отпали многие неясности, мы смогли точнее представить себе, как возникла жизнь.
Даже сейчас, не ожидая новых открытий, которые, несомненно, появятся в будущем, мы с высокой степенью вероятности можем утверждать, что жизнь развилась естественным путем из некоей преджизни, состоявшей из "органических" соединений, созданных в результате неорганических процессов.. эта теория хорошо согласуется с большим числом проверенных научных фактов и наблюдений, полученных специалистами в самых разных естественных науках. В этом ее преимущество перед более ранними гипотезами, в которых было немало противоречий и несуразиц, тем более если включать в их число постулаты о внеземном, а то и сверхъестественном происхождении жизни. Сейчас эти постулаты признаются не только недостоверными, но и просто излишними; наука их отбрасывает. Жизнь на Земле могла возникнуть естественным путем, и, судя по известным фактам, именно так она и возникла.
Список использованных источников
1. Бернал Дж. Возникновение жизни. Москва: “Мир” 1969. 391 с.
2. Калвин В. Химическая эволюция. М.: Наука, 1971 - 190 с.;
3. Камшилов М. М. Эволюция биосферы. Москва: “Наука” 1974. 254 с.
4. Колясников Ю. А. К тайнам мироздания. Магадан: СВНЦ ДВО РАН, 1997. 225 с.
5. Компаниченко В. Н. Возникновение жизни в глубинах гидротермальных систем. Хабаровск, 1996, 105 с.