Химический состав нашей планеты сформировался в результате космической эволюции вещества солнечной системы, в ходе которой возникли определённые пропорции количественных соотношений атомов. Поэтому современные данные о соотношении атомов химических элементов оказываются важными. Космическое обилие кислорода и водорода выразилось в обилии воды и её многочисленных окислов. Относительно более высокая распространённость углерода явилась одной из причин, определивших большую вероятность возникновения жизни. Обилие кремния, магния и железа способствовало образованию в земной коре и метеоритах силикатов. Источниками сведений о распространённости элементов служат данные о составе Солнца, метеоритов, поверхностей Луны и планет. Возраст метеоритов примерно соответствует возрасту земных пород, поэтому их состав помогает восстановить химический состав Земли в прошлом и выделить изменения, вызванные появлением жизни на Земле.
Научная постановка проблемы возникновения жизни принадлежит Энгельсу, считавшему, что жизнь возникла не внезапно, а сформировалась в ходе эволюции материи. В этом же ключе высказался и К.А. Тимирязев: «Мы вынуждены допустить, что живая материя осуществлялась так же, как и все остальные процессы, путём эволюции… Процесс этот, вероятно, имел место и при переходе из неорганического мира в органический» (1912).
Другое важнейшее утверждение -- клеточная теория. Эта теория говорит, что все живые организмы -- животные, растения и бактерии -- состоят из клеток и из продуктов их жизнедеятельности. Новые клетки образуются путем деления существовавших ранее.
Авторами этой теории обычно считают ботаника Маттиасса Шлейдена и зоолога Теодора Шванна, которые в 1838 г. впервые констатировали, что растения и животные представляют собой скопление клеток, расположенных в определенном порядке. Как это случалось и во многих других областях науки, Шлейден и Шванн, не будучи первыми авторами, провозгласившими некий принцип, тем не менее, сформулировали его столь ясно и убедительно, что идея приобрела популярность и, в конце концов, была принята большинством биологов того времени.
По современным представлениям, клетка -- это элементарная живая система, основа строения и жизнедеятельности всех животных и растений. Клетки могут существовать как самостоятельные организмы (например, простейшие, бактерии), так и в составе многоклеточных организмов, в которых имеются половые клетки, служащие для размножения. Размеры клеток варьируются в пределах от 0,1 -до- 0,25 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). Живой организм состоит из миллиардов самых разнообразных клеток. Их форма колеблется от совсем простой до самой причудливой, напоминающей паука, снежинку, звездочку и все что угодно. В каждой клетке различают две основных части: ядро и цитоплазму. Клетки растений, как правило, покрыты твердой оболочкой. Структурными элементами ядра клетки являются хромосомы, содержащие молекулы ДНК, в которых заключена наследственная информация организма.
3. Гипотеза происхождения жизни А.И. Опарина
Условие, при котором жизнь может возникнуть, - отсутствие свободного кислорода в атмосфере. Это важное открытие сделал русский ученый А.И. Опарин в 1924 г. (к такому же выводу в 1929 г. пришел английский ученый Дж.Б.С. Холдейн). А.И. Опарин высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4-4,5 млрд. лет назад состояла из азота, водорода, углекислого газа, паров воды и аммиака, возможно, с добавкой синильной кислоты (ее обнаружили в хвостах комет), могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. Поэтому возникающие на поверхности Земли органические вещества могли накапливаться, не окисляясь. И сейчас на нашей планете они накапливаются только в бескислородных условиях, так возникают торф, каменный уголь и нефть. Создатель материалистической гипотезы возникновения жизни на Земле, русский биохимик, академик Александр Иванович Опарин (1894-1980) посвятил всю свою жизнь проблеме происхождения живого.
Американский биолог Ж. Леб в 1912 г. первым получил из смеси газов под действием электрического разряда простейший компонент белков - аминокислоту глицин.
Возможно, кроме глицина он получил и другие аминокислоты, но в, то время еще не было методов, позволяющих определить их малые количества.
Открытие Леба прошло незамеченным, поэтому первый абиогенный синтез органических веществ (т.е. идущий без участия живых организмов) из случайной смеси газов приписывают американским ученым С.Миллеру и Г. Юри. В 1953 г. они поставили эксперимент по программе, намеченной Опариным, и получили под действием электрических разрядов напряжением до 60 тыс. В, имитирующих молнию, из водорода, метана, аммиака и паров воды под давлением в несколько Паскалей при t=80С сложную смесь из многих десятков органических веществ. Среди них преобладали органические (карбоновые) кислоты - муравьиная, уксусная и яблочная, их альдегиды, а также аминокислоты (в том числе глицин и аланин). Опыты Миллера и Юри были многократно проверены на смесях разных газов и при разных источниках энергии (солнечный свет, ультрафиолетовое и радиоактивное излучение и просто тепло). Органические вещества возникали во всех случаях. Полученные Миллером и Юри результаты побудили ученых различных стран заняться исследованиями возможных путей предбиологической эволюции. В 1957 году в Москве состоялся первый Международный симпозиум по проблеме происхождения жизни.
По данным, полученным в последнее время нашими учеными, простейшие органические вещества могут возникать и в космическом пространстве при температуре, близкой к абсолютному нулю. В принципе Земля могла бы получить абиогенные органические вещества и как приданое при возникновении.
В результате океан превратился в сложный раствор органических веществ (т.н. первичный океан), которым в принципе могли бы питаться анаэробные бактерии (организмы, способные жить и развиваться при отсутствии свободного кислорода и получающие энергию для жизнедеятельности за счет расщепления органических или неорганических веществ). Кроме аминокислот в нем были и предшественники нуклеиновых кислот - пуриновые основания, сахара, фосфаты и др.
Однако низкомолекулярные органические вещества еще не жизнь. Основу жизни представляют биополимеры - длинные молекулы белков и нуклеиновых кислот, слагающиеся из звеньев - аминокислот и нуклеотидов. Реакция полимеризации первичных звеньев в водном растворе не идет, так как при соединении друг с другом двух аминокислот или двух нуклеотидов отщепляется молекула воды. Реакция в воде пойдет в обратную сторону. Скорость расщепления (гидролиза) биополимеров будет больше, чем скорость их синтеза. В цитоплазме наших клеток синтез биополимеров - сложный процесс, идущий с затратой энергии АТФ. Чтобы он шел, нужны ДНК, РНК и белки, которые сами являются результатом этого процесса. Ясно, что биополимеры не могли возникнуть сами в первичном океане.
Возможно, первичный синтез биополимеров шел при замораживании первичного океана или же при нагревании сухого его остатка. Американский исследователь С.У. Фокс, нагревая до 130С сухую смесь аминокислот, показал, что в этом случае реакция полимеризации идет (выделяющаяся вода испаряется) и получаются искусственные протеиноиды, похожие на белки, имеющие до 200 и более аминокислот в цепи. Растворенные в воде, они обладали свойствами белков, представляли питательную среду для бактерий и даже катализировали (ускоряли) некоторые химические реакции, как настоящие ферменты. Возможно, они возникали в предбиологическую эпоху на раскаленных склонах вулканов, а затем дожди смывали их в первичный океан. Есть и такая точка зрения, что синтез биополимеров шел непосредственно в первичной атмосфере и образующиеся соединения выпадали в первичный океан в виде частиц пыли.
Следующий предполагаемый этап возникновения жизни - протоклетки. А.И. Опарин показал, что в стоящих растворах органических веществ образуются коацерваты - микроскопические «капельки», ограниченные полупроницаемой оболочкой - первичной мембраной. В коацерватах могут концентрироваться органические вещества, в них быстрее идут реакции, обмен веществ с окружающей средой, и они даже могут делиться, как бактерии. Подобный процесс наблюдал при растворении искусственных протеиноидов Фокс, он назвал эти шарики микросферами.
В протоклетках вроде коацерватов или микросфер шли реакции полимеризации нуклеотидов, пока из них не сформировался протоген - первичный ген, способный катализировать возникновение определенной аминокислотной последовательности - первого белка. Вероятно, первым таким белком был предшественник фермента, катализирующего синтез ДНК или РНК. Те протоклетки, в которых возник примитивный механизм наследственности и белкового синтеза, быстрее делились и забрали в себя все органические вещества первичного океана. На этой стадии шел уже естественный отбор на скорость размножения; любое усовершенствование биосинтеза подхватывалось, и новые протоклетки вытесняли все предыдущие.
Последние этапы возникновения жизни - происхождение рибосом и транспортных РНК, генетического кода и энергетического механизма клетки с использованием АТФ - еще не удалось воспроизвести в лаборатории. Все эти структуры и процессы имеются уже у самых примитивных микроорганизмов, и принцип их строения и функционирования не менялся за всю историю Земли. Поэтому заключительный этап происхождения жизни мы можем пока реконструировать только предположительно - до тех пор, пока его не удастся воссоздать в экспериментах.
Пока можно лишь утверждать, что на возникновение жизни в земном варианте потребовалось относительно мало времени - менее одного млрд. лет. Уже 3,8 млрд. лет назад существовали первые микроорганизмы, от которых произошло все многообразие форм земной жизни.
Жизнь возникла на земле абиогенным путем. В настоящее время живое происходит только от живого (биогенное происхождение). Возможность повторного возникновения жизни на земле исключена.
4. Поиск внеземных цивилизаций
На протяжении длительного времени, почти до начала 60-х годов, непосредственный интерес к проблеме поиска разумной жизни во Вселенной проявляли почти исключительно писатели-фантасты. Когда же эта проблема из ведения фантастов перешла в разряд фундаментальных проблем современного естествознания, она приобрела совершенно иной статус - научный. Общие рассуждения о возможных формах жизни и разума в иных космических цивилизациях сменились расчетами систем радиосвязи, применимых для расстояний в десятки и сотни световых лет, а также попытками оценить количество населенных миров в Галактике - во многом спорными, но, тем не менее, заслуживающими обсуждения. На современном этапе проблема поиска внеземных цивилизаций синтезирует в себе все научные дисциплины, созданные человечеством.
Направления поиска свидетельств существования антропоморфной цивилизации во Вселенной основываются на ряде теоретических положений:
- жизнь во Вселенной возникает непрерывно, начиная с образования звезд второго поколения, т.е. примерно в течение последних 12 млрд. лет;
- внеземные космические цивилизации возникают эволюционным путем непрерывно последние 8 млрд. лет;
- существует закон неограниченной экспансии разумной жизни, т.е. стремление исследовать и занять максимальное пространство.
Непрерывность возникновения жизни и цивилизаций во Вселенной, а также возможность производства неограниченных количеств энергии были главными теоретическими положениями, на которых строились выводы о существовании ярких свидетельств деятельности космических цивилизаций во Вселенной.
Утверждение об уникальности земной цивилизации фактически вступает в конфликт с приведенными доводами науки о множественности подходящих мест для возникновения и развития жизни во Вселенной и о большой вероятности возникновения там жизни путем той же биологической и химической эволюции.
И.М. Крейн полагает, что каждая космическая цивилизация должна себя вести, исходя из предположения, что во Вселенной есть и другие цивилизации. Самое главное не то, существуют они реально или нет, а как мы вписываемся в некую гипотетическую систему. Возможно, есть некоторые фундаментальные истины, понимания которых мы пока не достигли. А когда это произойдет - мы войдем в космическое сообщество, а фактически или условно - сути дела не меняет. Крейн, полагает, что причиной «молчания» космоса может быть следующее: любая сложная система живет по законам природы, возможно влияние одной (более развитой цивилизации) на развитие другой (менее развитой цивилизации) может привести к гибели последней. Такое мнение сложилось у автора на примере колонизации Америки европейцами - цивилизации индейцев фактически не существует. Возможно, был нарушен еще неоткрытый закон природы, запрещающий вмешательство одних цивилизаций в развитие других. Тогда вполне вероятно, что это может быть одной из основных причин «молчания» космоса.
Наиболее острым является вопрос о свидетельствах палеоконтакта, т.е. посещений в прошлом Солнечной системы и Земли кораблями развитых цивилизаций. Однако современная наука еще не располагает данными, позволяющими вести эффективный поиск «следов» возможных космических посещений. По мнению некоторых ученых, назрела необходимость сформировать специальное исследовательское направление - «палеовизитологию». В задачу этой науки должно входить создание теории предмета, разработка методологии методики поиска, осуществление практических поисков следов и другие необходимые исследования. Пока же изучение проблемы палеоконтактов ведется паранаучными методами.