Эволюция жизни на Земле

Существует несколько теорий появления жизни на Земле. Из них можно выделить три наиболее известные:

теория креационизма (от английского слова create - создавать) - жизнь создана высшим существом - Богом;
теория панспермии - жизнь принесена на Землю из космоса; так уже в метеоритах находят белковые соединения;
теория эволюции - жизнь на Земле народилась вследствие естественных законов усложнения форм организации материи.

У каждой теории есть свои плюсы и минусы, свои сильные и слабые стороны. Так теория панспермии многое объясняет, но не решает вопроса о происхождении жизни во Вселенной вообще, вопрос лишь отодвигается на более далекие космические объекты. К тому же существует ряд веских аргументов в пользу земного происхождения жизни. Например, известно, что только земная биоорганика обладает оптической асимметрией. Так если раствор сахара, полученного из свеклы («живой сахар»), осветить лучом поляризованного света, то плоскость поляризации луча на выходе оказывается смещенной вправо на некоторый угол. Если же сахар синтезирован искусственным путем, то такой раствор не поворачивает плоскость поляризации света. Вся биоорганика Земли поворачивает плоскость поляризации света. Вся «космическая» и искусственная органика оптически нейтральна.

Известно также, что вся биоорганика Земли имеет единый генетический код. Информация о строении белков организма хранится в закодированном виде в структуре молекул ДНК. Правила кодировки нам известны, но они не поддаются какой-либо логике. Похоже, что природа установила эти правила произвольным образом, как, например, в компьютерной таблице кодировки символов. Но однажды принятый «стандарт» един для всех биосистем Земли и никогда не нарушается.

Теория креационизма хорошо вписывается в принцип роста энтропии и легко объясняет природу целесообразности в устройстве Вселенной.

В то же время теория эволюции подтверждается огромным количеством научных фактов. Слабым местом эволюционизма является отрицание всякого рода целесообразности в природе и признание случайности, господствующей в эволюционном процессе, что никак не согласуется с данными статистического анализа, который говорит, что всего времени существования Выселенной не хватит на то, чтобы воспроизвести существующие формы случайным образом. В то же время новые достижения синергетики (науки о самоорганизации) и неравновесной термодинамики позволяют надеяться на то, что в научном понимании жизни уже в ближайшее время ожидается существенный прорыв. Мы уже понимаем механизмы самоорганизации. И все же целесообразность Вселенной не вписывается в концепции «слепых законов природы». Необходимо всегда помнить о принципе дополнительности. Теория эволюции, безусловно, идет по верному пути, но эмерджентные свойства природы оказываются близкими к идеальным формам, до сих пор остающимся лишь в ведении религиозных и мистических культов и учений. Земная жизнь является естественным следствием глобального эволюционного процесса, который в свою очередь достаточно однозначно (телеологично) «запрограммирован» в структуре изначальных принципов существования Вселенной.

Под действием сил гравитации протопланетное облако сжимается, и недра планеты значительно разогреваются. Сейчас температура ядра Земли составляет порядка 4000-5000°С. Уплотнение протопланетного сгущения и нарастание температуры недр свидетельствует об уменьшении энтропии внутри планеты, а значит, и о процессах структурообразования (для тепловой энергии высокая температура является показателем низкой энтропии). В соответствии с теорией самоорганизации это говорит о том, что планета является типичной устойчивой самоорганизующейся системой. Другими словами, это есть одна из форм небиологической жизни.

По мере возрастания температуры недр возрастает и поток энергии в космос, который выступает для разогревающейся планеты в роли «холодильника». Согласно принципу Ле Шателье - Брауна это приводит к формированию структур, аккумулирующих энергию, уменьшая темпы остывания планеты, то есть происходит формирование своего рода «теплоизолирующего» слоя планеты. Сначала идет кристаллизация минералов земной коры, потом - химическое усложнение вещества по цепи: органика – полимеризация - белки+РНК - ДНК. Следует отметить, что органика начинает образовываться уже при соударении частиц пыли в процессе образовании метеоритов, однако на поверхности планеты долгое время сохраняются более стабильные условия, поэтому она является идеальной и очень мощной химической лабораторией. В результате вместе с возрастанием температуры недр планеты происходит уменьшение температуры на ее поверхности. То есть в недрах планеты формируется и поддерживается значительный температурный градиент. Это значит, что из одного слоя планеты в другой последовательно движется мощный поток энергии, который достигает поверхности планеты уже будучи практически полностью деградированным (низкотемпературным). На что же расходуется изначально заложенная в нем информация? Согласно теории самоорганизации, информация может расходоваться только на формирование и поддержание упорядоченных структур. Значит, недра планеты имеют достаточно сложную организацию. И эта организация усложняется по мере того, как разогреваются недра планеты и остывает ее поверхность.

Насколько мы знаем, в настоящее время недра планеты больше не разогреваются, то есть ее структура остается достаточно стабильной. Иная картина складывается на ее поверхности. Здесь можно выделить два основных источника энергии: энергия Солнца и энергия недр планеты. В период разогревания планеты, по-видимому, именно за счет возрастающего потока энергии из ее недр формировались и усложнялись первые формы биологической жизни. По мере ослабевания темпов разогрева недр планеты и роста мощности «теплоизолирующего» слоя понижается температура на поверхности и поток собственной энергии планеты уменьшался. Поэтому тем формам жизни на поверхности планеты, которые существуют за счет этого потока энергии, суждено, вероятно, постоянно уменьшать сферу своего присутствия. В наше время она представлена лишь хемосинтезирующими бактериями и некоторыми многоклеточными организмами в глубоководных впадинах. Чем ниже температура на поверхности планеты, тем интенсивней поток энергии, приходящей от Солнца. Именно это, по-видимому, является движущей силой эволюции на Земле. То есть сложность форм жизни в биосфере, судя по всему, находится в обратной зависимости от средней температуры поверхности Земли.

Динамика остывания поверхности планеты в условиях стабильности температуры Солнца обеспечивает однонаправленность процессов усложнения форм молекул. Возможно, существует еще немало подобных факторов, посредством которых планета, Солнце, космос и в конечном итоге вся Вселенная направляют, «руководят» процессами самоорганизации. В любом случае именно метасистема «отбирает» и «закрепляет» те формы макромолекул, которые претендуют на будущность. Когда наступает предел возможностей «неживой» органики по обеспечению энергобаланса, на поверхности планеты возникают сложные формы, которые мы по праву можем назвать живыми существами, точнее, биологической жизнью.

Уже на уровне макромолекул можно говорить о жизни в общепринятом понимании. Так молекула фермента лизоцима состоит из тысячи атомов, расположенных в форме шарика, напоминающего приоткрытую «пасть», которая захватывает полисахариды, входящие в состав оболочек бактерий, разрушая их. После этого молекула восстанавливает свою структуру и вновь «открывает пасть». Вершина эволюции молекул - вирусы, являющиеся сложными молекулярными комплексами, основами которых являются молекулы ДНК, окруженные белковыми оболочками.

Пьер Тейяр де Шарден предполагал, что прежде, чем была создана первая живая клетка, на Земле существовала эра вирусов, которую он назвал «забытой эпохой». Вероятно, мы уже никогда не сможем найти реликтовые макромолекулы. Современные вирусы не могут жить автономно. Они либо вошли в состав более сложных живых организмов (клеток), либо стали паразитами. Шарден назвал этот закон «устранением эволюционных черешков». Современная жизнь даже в простейших формах в корне отличается от аналогичных форм в прошлом, так как во многом трансформирована современной реальностью. Раз возникнув и закрепившись, любая форма вплетается в ткань Вселенной и меняется до неузнаваемости.

В то же время зарождение принципиально новых форм будет уничтожено современной жизнью. Именно поэтому мы сейчас не наблюдаем явлений самозарождения жизни. По словам И.С. Шкловского, микроорганизмы и вирусы буквально съедят уже первые ростки новой жизни. По словам Шардена, появление биосферы обеднило первоначальный химизм планеты, поэтому данный феномен зарождения жизни больше не может повториться в естественных условиях. Поэтому одной из особенностей современной жизни является подчинение ее закону, окончательно доказанному Пастером и более известному под названием «принцип Реди»: все живое происходит только от живого. Имеется мнение, что этот принцип действовал всегда. То есть единственным объяснением того, как могла возникнуть жизнь, является то, что вся Вселенная, породившая эту жизнь, сама является живым существом.

По теории Опарина, первые клетки возникли в результате эволюции коацерватных капель. Это пример агрегации (создание групп с определенной внутренней структурой) в мире макромолекул. Крупные молекулы имеют обычно довольно сложную форму. Они окружают себя молекулами воды, тем самым упорядочивая их. В соответствии со вторым законом термодинамики система стремится уменьшить количество порядка. В данном случае это достигается путем уменьшения суммарной поверхности органики, упорядочивающей воду. Поэтому энергетически более выгодно оказывается слияние молекул органики в каплю. Сложные капли способны улавливать и впитывать в свою структуру вполне определенные вещества из окружающего их раствора, поддерживая этим стабильность своей структуры и состава внутренней среды.

Агрегация клеток приводит к возникновению многоклеточных организмов. Эволюция многоклеточных сначала шла по линии усложнения физиологии, потом (а частью и одновременно) поведения по цепи: раздражимость – инстинкт – психика - сознание. Эволюция поведения свидетельствует об агрегации многоклеточных организмов, то есть о формировании и эволюции систем более высокого иерархического уровня: социальных систем типа стаи, общества и т.п., которые с полным правом можно назвать социальными живыми существами. Наиболее яркими примерами таких существ являются муравейники, пчелиные семьи, человеческая цивилизация и т.п. Здесь присутствуют все признаки органичной целостности и функциональной взаимозависимости, которую мы в своей жизни называем разделением труда. Наблюдая эволюцию социальных форм жизни, в частности на примере истории человечества, можно понять суть самого алгоритма эволюции.

Было время, когда жизнь на поверхности Земли развивалась только за счет разогревающихся недр планеты, потом она «открыла» новый источник энергии - Солнце. При этом она «изобрела» хлорофилл, позволивший связывать и аккумулировать солнечную энергию. Это дало энергетическую подпитку теплоизоляционному слою планеты, что позволило стабилизировать условия на ее поверхности (жизнь обладает средообразующей функцией, стабилизируя окружающую среду). Возможно, сейчас мы являемся свидетелями того, как планета пытается найти новый источник энергии. Может быть, для этого мы и созданы, для этого природа и наделила нас исследовательским даром? Мы даже очень преуспели, не только затормозив естественную тенденцию к остыванию поверхности планеты, но и, наоборот, повысив ее среднюю температуру. Но мы почему-то стали неуправляемыми. Нас не просили повышать температуру, нужно было только стабилизировать ее, то есть выполнить требования принципа Ле Шателье в ответ на остывание. К тому же найденные нами источники энергии достаточно быстро исчерпаются. Значит, это не выход. Значит, нам еще предстоит долгий поиск. Может быть, поэтому природа включила механизм безошибочного поиска, который мы наблюдаем сейчас в форме бурного всплеска нашей цивилизации? Кто-то из нас обязательно должен нащупать единственно верное решение, то есть найти новый неисчерпаемый экологически чистый источник энергии.

Известные экологи