Л.Н.Сухорукова
Известно, что целостной теории происхождения жизни в науке не существует. Имеется целый ряд идей и гипотез, высказанных ранее или развиваемых в настоящее время. Как действовать учителю биологии в сложившихся условиях? Исключить эту проблему из программы, следуя традиции изучать только устоявшееся и незыблемое? Выбрать одну гипотезу и не рассматривать другие? Сделать обзор гипотез?
Изучать биологию, не затрагивая сущности и происхождения жизни, так же, как и ограничиться одной гипотезой – значит снизить познавательные возможности учащихся, интерес к учению.
Опыт преподавания общей биологии показывает, что следует сделать обзор гипотез и оценить их вклад в научную картину мира. При этом важно учитывать, что всё их многообразие можно свести к двум взаимоисключающим подходам – биогенезу и абиогенезу. Сторонники биогенеза (от греч. “био” – “жизнь”, “генезис” – “происхождение”) полагали, что живое происходит только от живого. Их противники считали возможным происхождение живого от неживого, то есть в той или иной мере допускали самозарождение жизни.
Гипотезы, основанные на идее абиогенного происхождения жизни, можно условно отнести к химическим. Их авторы признают начало мира и определяют возраст жизни на Земле в 3,5 – 4,5 млрд. лет.
Гипотезы, построенные на идее биогенеза и видящие истоки жизни в космосе, относятся к физическим (космическим).
Биогенез оказался как бы в стороне от господствующего мировоззрения. Идеи о вечности жизни и её космическом происхождении не находят отражения в учебниках и учебных пособиях. Напротив, абиогенный подход к изучению явлений стал хрестоматийным, к раскрытию его cущности, этапов перехода химической эволюции в биологическую сводится содержание тем, затрагивающих проблему возникновения жизни на Земле. Отдавая предпочтение абиогенезу, авторы учебников часто освещают его односторонне, ограничиваясь только гипотезой А.И. Опарина (7).
Безусловно, гипотеза А.И.Опарина стала определённым этапом в развитии идеи абиогенеза и имеет право на изучение в школе, однако при её анализе важно рассмотреть не только факты “за”, но и аргументы “против”.
Исходный постулат этой гипотезы: жизнь возникла в результате длительной химической эволюции от атомов к простым молекулам ® макромолекулам ® пробионтам ® одноклеточным организмам. Поскольку абиогенный синтез не мог осуществляться в кислородной атмосфере, А.И. Опарин высказал предположение о восстановительном характере древней атмосферы земли (она состояла из метана, аммиака, углекислого газа, паров воды и не содержала кислорода). Получается, что условия возникновения модели специально конструируются применительно к ней, а затем рассматриваются как существовавшие на самом деле.
И.Г. Заварзин в этой связи замечает: “На все рассуждения относительно состава атмосферы предбиологического периода сильное влияние оказала идея о синтезе органических веществ. Собственно, чаще обсуждался вопрос о том, какой была атмосфера, а не о том, какой она должна была бы быть, чтобы обеспечить этот синтез” (6. С.21).
Новые научные данные расширили взгляды на состав древней атмосферы Земли: обсуждается возможность существования не только восстановительной, но и нейтральной и окислительной атмосферы. Известно, что на Земле существуют два основных источника кислорода – фотохимические реакции и фотосинтез. Общепринято мнение, что скорость фотохимических реакций очень мала, чтобы обеспечить современный уровень кислорода в атмосфере. Однако, с точки зрения геофизиков, если в период, предшествовавший возникновению жизни, не существовало сложных процессов поглощения свободного кислорода, то он мог находиться за счёт фотосинтетических реакций в значительных количествах (всего за 60 млн. лет количество кислорода достигло бы величины, близкой к его современному содержанию в атмосфере) (6). Математическое моделирование палеоатмосферы также приводит к заключению, что за счёт абиогенных процессов древнейшая атмосфера Земли могла содержать в миллион раз больше кислорода, чем предполагалось ранее. Поскольку накопление кислорода в атмосфере не может происходить без одновременного удаления из системы Земли эквивалентного количества водорода, то с космической точки зрения рассеяние водорода в космическом пространстве – основная причина формирования окислительной атмосферы Земли (6. С.146).
Интересное предположение о составе палеоатмосферы высказал В.И.Бгатов. По его мнению, абиогенный кислород образуется в океанических впадинах при извержениях базальтов. Этот процесс мог иметь существенное значение для насыщения атмосферы кислородом на ранних этапах эволюции планеты (3. С.86).
Если наличие кислорода как окислителя в древней атмосфере Земли будет убедительно доказано, это приведёт к опровержению идеи абиогенного синтеза органических соединений и в целом гипотезы А.И.Опарина.
Известно, что все этапы абиогенеза, включая синтез мономеров, биополимеров, пробионтов, были смоделированы в лабораторных условиях и получили, таким образом, экспериментальное подтверждение. Но тогда логично поставить перед учащимися вопрос: правомерно ли проводить такие модельные эксперименты, если не учитывается главное условие эволюции – время?
Для понимания гипотезы А.И. Опарина важно также сообщить школьникам, что она представляет собой синтез биохимии и дарвинизма, только исходным свойством жизни в ней признавался обмен веществ, на развитие которого и был направлен предбиологический отбор. Наследственность и изменчивость рассматривались как следствие, а не как предпосылка отбора.
Существенно заметить, что, по А.И.Опарину, все этапы химической эволюции осуществлялись на Земле, а все особенности жизни выводились из клеток (организмов), игнорировались надорганизменные системы.
В связи с этим логично обратиться к гипотезам Дж.Бернала (2) и Г.В.Войткевича (4).
Английский биохимик Дж.Бернал относит к самым существенным свойствам жизни одновременно обмен веществ и самовоспроизведение. Предполагается, что абиогенно возникшие небольшие молекулы нуклеиновых кислот могли сразу соединиться с аминокислотами, которые они “кодируют”. Первичная живая система виделась как биохимическая жизнь без организмов (ранняя биосфера), осуществлявшая самовоспроизведение и обмен веществ. Обособление отдельных участков биохимической жизни с помощью мембран приводило к образованию организмов.
В гипотезе Г.В.Войткевича возникновение органических веществ переносится в космическое пространство, однако самопроисхождение жизни по-прежнему связывается с Землёй. Образование межзвёздных молекул происходит на основе частиц космической пыли, состоящих из силикатного ядра и ледяной оболочки. Под действием солнечной радиации аммиак и метан растворяются в воде, возникают радикалы, которые, комбинируясь друг с другом, образуют различные органические соединения. После разрушения пылинок эти соединения составляют молекулярные облака, рассеянные в космосе. По мнению Г.В.Войткевича, на первичной Земле мог оказаться весь набор органических веществ, синтезированных в космосе, включая нуклеотиды и даже молекулы ДНК. При рассмотрении дальнейших этапов биохимической эволюции Г.В.Войткевич следует идеям Дж.Бернала о биохимической жизни.
Важно подчеркнуть, что именно в рамках химических гипотез обсуждаются вопросы, связанные со средой возникновения жизни: какая жизнь была первичной – водная или сухопутная? Зародилась ли она в океанических желобах, в прибрежных районах морей и океанов или в областях активной вулканической деятельности?
В заключение обзора гипотез абиогенеза следует заметить, что обновлённая с учётом последних данных естествознания концепция А.И.Опарина служит программой для многих исследователей, считающих возможным переход химической эволюции в биологическую. Однако до настоящего времени между самыми сложными лабораторными моделями пробионтов и наиболее просто устроенными прокариотическими клетками существует огромный разрыв.
Идея абиогенеза согласуется с хорошо известной в естествознании гипотезой Большого взрыва. Данная гипотеза предполагает, что наша Вселенная возникла 15-20 млрд лет назад в результате взрыва всего одного протона. С этого момента началось расширение Вселенной, продолжающееся и ныне, и превращение материи в атомы, сгустки звёзд, галактик и их скоплений.
Переходя к рассмотрению биогенеза, необходимо отметить, что непрерывное изменение мира не обязывает нас искать в прошлом точку отсчёта, некоторое непременное начало, но позволяет думать, что мир вечен. Именно такой вывод вытекает из анализа космических (физических) гипотез. В их основе лежит признание коренного отличия живого вещества от неживого (косного). У истоков этих гипотез стоят работы Ф.Реди (1629-1698), развеявшего миф о самозарождении насекомых. Выводы учёного были сформулированы как эмпирическое обобщение: всё живое от живого.
Учащиеся с интересом узнают, что ещё в конце XVIII в. шотландский геолог Дж.Геттон высказывал странно прозвучавшую тогда идею: в геологии не видно ни начала, ни конца, геология имеет дело с явлениями геологично (планетарно) вечными, к ним относится и жизнь. Идеи Геттона развил английский геолог И.Лайель, сформулировав принцип актуализма: факторы, которые действуют ныне, определяли развитие природы в прошлом.
Л.Пастер не только блестяще доказал невозможность самозарождения микроорганизмов, но и обнаружил одну из существенных особенностей живого вещества – асимметрию. Она проявляется в элементарном составе живых организмов, который не соответствует составу земной коры, в преобладании одних изомеров и отсутствии других, а также в формах надмолекулярных, клеточных и организменных структур. Известно, что органическим молекулам свойственна зеркальная материя. Они могут существовать в двух структурных формах, схожих и вместе с тем отличных как левая и правая ладони. Но природные белки содержат только "левые" аминокислоты, а нуклеотиды – только “правые” сахара. Неживой природе присуща тенденция к равновесию между “левым” и “правым”. Остановив внимание на асимметрии молекул, Л.Пастер противопоставил живые организмы, в которых преобладают только одни изомеры и отсутствуют другие, неживой природе, где разные изомеры представлены в равных соотношениях. Не видя в земных условиях причин, которые могли бы вызвать асимметрию у первичных форм жизни, Л.Пастер связал их происхождение с космосом, где широко распространены асимметричные процессы и формы. (1. С. 382 – 383).
Идеи Л.Пастера созвучны работам французского физика П.Кюри, сформулировавшего фундаментальное эмпирическое обобщение: дисимметричные явления должны порождаться столь же диссиметричными причинами (1. С. 384).
Особое внимание при характеристике биогенеза следует уделить взглядам В.И.Вернадского (1; 5). Он был одним из первых учёных – естественников, который понял космическое значение факта появления жизни на Земле и начал систематическое исследование её влияния на развитие планеты. Жизнь представлялась ему “буфером” между космосом и “косным” (неживым) веществом Земли, “буфером”, способным использовать космическую энергию для преобразования планетарного вещества. Считая жизнь космическим явлением, В.И. Вернадский не ставил вопроса о том, как она возникла. Поэтому неверно считать его сторонником гипотезы панспермии, как об этом иногда пишут в учебниках. Механизм панспермии – одна из возможных причин появления жизни.
Взгляды В.И.Вернадского на проблему происхождения жизни основывались на эмпирических обобщениях, которые вытекают из многократно доказанных фактов, не подлежащих сомнению, и могут быть сведены к следующему:
Начала жизни в том космосе, который мы наблюдаем, не было, поскольку не было начала этого космоса. Жизнь вечна, поскольку вечен космос, и всегда передавалась путём биогенеза.
Жизнь, извечно присущая Вселенной, явилась новой на Земле, её зародыши приносились извне постоянно, но укрепилась на Земле лишь при благоприятных для этого возможностях.
Жизнь на Земле была всегда. Время существования планеты – это время существования на ней жизни. Жизнь геологически (планетарно) вечна. Возраст планеты неопределим.
Жизнь никогда не была чем-то случайным, ютящимся в каких-то отдельных оазисах. Она была распространена всюду, и всегда живое вещество существовало в образе биосферы.
Древнейшие формы – дробняки – способны выполнять все функции в биосфере. Значит, возможна биосфера, состоящая из одних прокариот. Вероятно, такова она и была в прошлом.
Живое вещество не могло произойти от косного. Между этими двумя состояниями материи нет никаких промежуточных ступеней. Напротив, живое вещество за счёт способности поглощать энергию Солнца многократно ускоряло эволюцию косного вещества планеты. (О роли живого вещества наглядно говорит сравнение двух ровесниц – Земли и Луны).
Выводы парадоксальные. Они противоречат традиционному миропониманию и находятся в стороне от господствующей научной парадигмы о последовательном образовании Земли как космического тела, затем появлении на ней жизни с последующим образованием биосферы (1. С.298-310).
Теоретические положения В.И. Вернадского основываются на шести эмпирических обобщениях, с которых начинается его “Биосфера”:
Никогда не наблюдалось в условиях Земли зарождения живого от неживого.
В геологической истории нет эпох, в которые отсутствовала бы жизнь.
Современное живое вещество генетически родственно всем прошлым организмам.
В современную эпоху живое вещество так же влияет на химический состав земной коры, как и в прошлые эпохи.
Существует константное количество атомов, захваченных в данный момент живым веществом.
Энергия живого вещества есть преобразованная, аккумулированная энергия Солнца.
Из учения о биосфере школьникам известно, что за счёт способности живого вещества поглощать энергию Солнца возникли геохимические циклы или круговорот веществ в природе, в который вовлекались массы первичной материи. В результате возникли толщи осадочных пород, которые преобразовались затем геологическими и геохимическими процессами. В этой связи внимание учащихся следует привлечь ко второму эмпирическому обобщению: в земной коре нельзя отыскать слоёв, свободных от влияния живого вещества. Именно отсюда вытекает парадокс о невозможности измерения возраста Земли как космического тела, ибо мы будем находить в конце наших усилий только структуры, переработанные живым веществом. Анализ древнейших отложений земной коры – архейских пород – показал, что это изменённые осадочные породы, отлагавшиеся в среде, где уже существовала жизнь.
Геологи и радиометристы определяют не возраст планеты, а возраст пород, выпавших из жизненного круговорота, которые ушли вглубь, в осадок и более не входили в жизненные процессы. Поэтому сколько бы ни старались нащупать предельные возрасты, мы будем лишь определять тот срок, который существовала данная структура молекул, входившая ранее в живые тела.
Теоретический тезис В.И.Вернадского о всегдашней “оживлённости” поверхности планеты напоминает Лаелевский принцип актуализма, успешно перенесённый из геологии в область явлений жизни: сегодняшнее состояние биосферы свидетельствует о её прошлом. Земля была “оживлена” всегда, и всегда жизнь существовала в форме биосферы. Древнейшие живые организмы – дробняки, несмотря на примитивное строение, способны выполнять все функции живого вещества. Они настолько вездесущи, что “встроены” почти в каждую химическую реакцию, происходящую на поверхности (в коре выветривания), в недрах, в горячих источниках, в воде, в вулканических выбросах. А поскольку скорость деления прокариот огромна, то и плоды их биохимической работы ошеломляющи (например, запасы руд Курской магнитной аномалии или Чиатурского марганцевого бассейна). Значит, в принципе возможна биосфера, состоящая из одних прокариот. И вполне возможно, что такова она была в прошлом.
Прокариоты символизируют собой некий особый путь эволюции, где организм нельзя рассматривать отдельно от среды, так как они изменяют её своей жизнедеятельностью.
Идея о “всегдашней оживлённости планеты” связана с идеей о “всюдности жизни”. Жизнь не могла возникнуть только в каких-то отдельных оазисах (вулканических областях, морских лагунах, в океанических глубинах). Это противоречит расчётам, сделанным В.И. Вернадским, о скорости захвата организмами пространства: для бактерий она сравнима со скоростью звука в воздушной среде. Известно, что они способны нарастить массу, равную по весу земному шару, за несколько суток.
Вся загадочность тезиса о “всегдашней оживлённости планеты” связана со словом “всегда”, то есть с понятием времени. В.И. Вернадский подчёркивал, что все характеристики жизни и времени совпадают: жизнь и время необратимы, они всегда направлены одинаковым образом из прошлого в будущее, то есть асимметричны. Время биологически содержательно, оно строится причинно обусловленными событиями: сменой поколений. Мерными единицами биологического времени В.И. Вернадский считал делящиеся бактерии. Он утверждал, что мы не имеем права говорить о времени до создания биосферы. “Всегда” без жизни нет, а есть другие формы времени, которые нам, существам, принадлежащим к биологическому миру, не столь близки и понятны.
В заключение обзора гипотез биогенеза следует подчеркнуть, что благодаря исследованиям В.И. Вернадского космос и наша планета представляются единой системой, в которой живое вещество, жизнь связывают процессы, протекающие на Земле, с процессами космического происхождения. Однако механизм проникновения живой материи из космоса на Землю недостаточно ясен. Согласно современным представлениям, многообразные бактерии были трансформированы на Землю около 3,5 млрд лет назад кометами. Ледяные ядра комет могли быть той средой, в которой микроорганизмы способны были длительное время сохраняться в состоянии анабиоза. (6. С. 165). Но пока споры бактерий не обнаружены ни в космическом пространстве, ни в метеоритах, ни в лунном грунте. Это побудило Ф.Крика и Л.Оргела предположить, что Земля была “засеяна” космическими пришельцами. Предположения такого рода, по мнению Г.А. Заварзина, хотя и обходят вопрос о происхождении жизни, встречают меньше противоречий, чем другие (6. С. 164).
Из сказанного очевидно, что ознакомление школьников с альтернативными подходами к проблеме сущности и возникновения жизни невозможно осуществить, пока не будут изучены молекулярно-генетические основы жизни, уровни её организации (включая биосферный), закономерности эволюции. Наиболее подходящее место для этого – тема “Развитие органического мира” (XI класс). К этому времени учащиеся овладеют содержанием курсов физики, химии, астрономии, создающими фундамент для понимания проблемы происхождения жизни. С другой стороны, ознакомление с вопросами возникновения жизни позволяет логично перейти к рассмотрению этапов её исторического развития, антропогенезу.
Опыт преподавания раздела общей биологии показывает, что информация о различных гипотезах происхождения жизни вызывает большой интерес у старшеклассников. На изучение этих вопросов должно быть отведено больше времени, чем то, что предусмотрено школьной программой. При этом не следует требовать от учащихся запоминания и изложения всех рассмотренных гипотез. Важно добиться понимания причин их разнообразия, умения применять теоретические знания в процессе обсуждения и оценивания гипотез.
Интегрированный и дикуссионный характер темы “Происхождение жизни на Земле” требует специфических методов и форм организации учебно-воспитательного процесса. Здесь особенно эффективны интегрированные уроки, диспуты, “круглые столы”, организуемые учителями физики, химии, астрономии, биологии.
Первые уроки могут быть даны в форме лекции, которую поочерёдно проводят учителя смежных предметов. Основное время заключительного урока должно быть посвящено дискуссии. С этой целью учащиеся делятся на две группы. Каждая группа раскрывает сущность одного из двух альтернативных подходов, приводит аргументы в его пользу. Интересно, что, отстаивая противоположные подходы, школьники часто опираются на одни и те же факты, истолковывая их в свою пользу. (То же можно наблюдать и в научных дискуссиях). Например, существование оптических изомеров аминокислот и нуклеотидов “защитники” биогенеза связывают с космосом, а сторонники абиогенеза рассматривают нарушение зеркальной симметрии в качестве этапа химической эволюции. Наличие в космическом пространстве органических соединений может говорить как в пользу химической эволюции, так и о том, что жизнь имеет космическое происхождение.
В процессе дискуссии учащиеся разных групп задают друг другу вопросы, следят за рассуждениями партнёров, находят в их высказываниях противоречивые утверждения, пробелы в аргументации, кратко и убедительно учатся отстаивать защищаемую гипотезу.
Аксёнов Г.П. Владимир Вернадский. М.: Современник, 1993. 687 с.
Бернал Дж. Возникновение жизни. М.: Мир, 1969. 393 с.
Бгатов В.И. История кислорода земной атмосферы. М.: Недра, 1985. 174 с.
Войткевич Г.В. Древность жизни и условия её зарождения // Биология в школе. 1987. №6. С.4-10.
Вернадский В.И. Биосфера. М.: Мысль, 1967. 374 с.
Заварзин Г.А. Бактерии и состав атмосферы. М.: Наука, 1984. 192 с.
Опарин А.И. Жизнь, её природа, происхождение и развитие. 2-е изд. М.: Наука, 1968. 174 с.
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.yspu.yar.ru/