Возникновение жизни на Земле

Жизнь возникла на нашей планете около 3,5 млрд. лет назад. Этому предшествовала очень длительная абиогенная (небиологическая) молекулярная эволюция. Современная наука полностью опровергла все мифы о внезапном «чудесном» появлении жизни. Несостоятельными оказались и теории о заносе жизни из космоса. Сейчас уже можно представить те условия, при которых на Земле стало реальным возникновение жизни. Наиболее широкое признание получила гипотеза происхождения жизни А. Й. Опарина — Д. Б. С. Холдейна (1924 — 1927). Согласно этой гипотезе, ныне дополненной, сложный процесс возникновения жизни происходил следующим образом.

На раскаленной (до 1000 °С) планете, какой была Земля, все элементы находились в атомарном состоянии и при охлаждении постепенно перераспределились соответственно плотности: самые тяжелые — внутрь, наиболее легкие (азот, водород, углерод) — на поверхность. Так образовалась первичная атмосфера, состоявшая из газов. В ее составе не было свободного кислорода, так как он соединялся с металлами и другими способными к окислению элементами. Свободный водород и его газообразные соединения с азотом, углеродом и кислородом (водяные пары) создали восстановительный характер среды, что послужило одной из предпосылок образования молекул органических веществ небиологическим путем. Дальнейшее охлаждение привело к конденсации водяных паров; на поверхность Земли начали низвергаться горячие дожди, образуя огромные водные пространства. В воде были растворены аммиак (МН3), диоксид углерода (СO2), метан (СН4), синильная кислота (НСМ). В атмосфере под действием ультрафиолетовых лучей Солнца и грозовых разрядов происходило образование более сложных органических веществ, которые с дождями также попадали в водоемы. В их числе — органические кислоты (уксусная, муравьиная, молочная и др.), аденозинфосфатные соединения (АМФ, АДФ, АТФ) и др. С частыми извержениями вулканов, в том числе подводных, на поверхность выносились (и выносятся сейчас) такие сложные соединения, как различные аминокислоты (их абиогенный синтез осуществляется при температуре около 1000 °С), азотистые основания, аминосахара и другие не органические вещества. Карбиды (соединения металлов с углеродом), также извергавшиеся в большом количестве, в горячей воде образовывали углеводороды. Восстановительный характер атмосферы Земли, активная вулканическая деятельность, грозовые разряды, мощное ультрафиолетовое излучение, не задерживаемое озоновым экраном, высокая температура — вот те условия, которые обеспечили абиогенное возникновение органических соединений и положили начало химической эволюции, приведшей впоследствии к возникновению живых организмов. В настоящее время экспериментально подтверждение абиогенный синтез даже таких веществ, как белки. Теплые воды первичного океана были благоприятной средой для химических реакций между растворенными здесь органическими и неорганическими веществами, низкомолекулярные органические вещества превращались в более сложные высокомолекулярные. В течение миллионов лет возникали и разрушались бесчисленные варианты органических соединений. Шло постепенное накопление их в водах первичного океана.

Дальнейший этап в развитии органических веществ — образование коацерватных капель. В водном растворе органические молекулы всегда окружены поляризованной водной оболочкой. Толщина ее зависит от величины заряда молекулы, концентрации солей окружающего раствора, температуры и других факторов. Молекулы, окруженные такими оболочками, могут объединяться, образуя коацерваты — многомолекулярные группы с единой оболочкой, которые уже не смешиваются с окружающим раствором. Коацерватные капли представляют собой высокомолекулярные образования, в том числе белковые и полинуклеотидные, обособившиеся из раствора в виде коллоидных частиц. Исследования А. И. Опарина показали, что коацерватные капли способны адсорбировать (поглощать) из окружающего раствора отдельные вещества и увеличиваться в размерах. В коацерватах осуществлялись простейшие реакции синтеза и распада веществ, продукты которого выделялись наружу. Эти процессы можно сравнить с процессами питания, роста, выделения. Таким образом, адсорбционная способность, присущая коацерватам, стала, по-видимому, начальным этапом обмена веществ в них. Возник один из самых существенных признаков жизни — обмен веществ.

В коацерватных каплях, содержавших полинуклеотидные цепочки, при адсорбции мононуклеотидов происходил неферментативный синтез комплементарных, полинуклеотидов, т. е. матричный синтез, столь характерный для живых систем. Формировалась способность к самовоспроизведению.

Рост коацерватных капель за счет поглощения веществ извне приводил к диспропорции между массой капли и силами сцепления между ее молекулами. Капля распадалась на несколько более мелких. Этот процесс стал необходимой предпосылкой для возникновения размножения. Однако в современном понимании размножение — это процесс, посредством которого организмы воспроизводят себе подобных. При распадении же коацервата «дочерние» капли могли оказаться очень различными по химическому составу. Многие из них распадались дальше и погибали, некоторые снова росли. В составе коацерватных капель возникали все новые и новые комбинации веществ.

Наибольшие шансы на сохранение имели капли, содержавшие белок, способный по своей химической природе к ферментативной активности, и полинуклеотиды. Белки-ферменты участвовали не только в обмене веществ, но и в редупликации нуклеиновых кислот. Сохранение в нуклеиновых кислотах, способных к редупликации, информации об «удачных» комбинациях аминокислот обеспечивало стабильность состава белков при распаде капель. Таким образом, появился процесс самовоспроизведения — необходимое свойство живого. Завершился последний этап химической эволюции материи, возникли живые системы. Развитие живых систем шло в результате биологической эволюции. При редупликации полинуклеотидных молекул в некоторых случаях происходили «ошибки» — мутации: новая молекула не вполне точно копировала исходную. В дальнейшем эта измененная молекула копировалась. Частота мутаций резко повышалась под воздействием излучений, особенно ионизирующих. С момента возникновения простейшие организмы попадали под действие естественного отбора, который и обеспечивал их приспособленность к условиям существования. Случайно приобретенные в результате наследственных изменений полезные признаки закреплялись отбором. По-видимому, именно так из первичных коацерватов сформировались клетки: образовались наружная мембрана, обладающая свойством избирательной проницаемости, цитоплазма, ядро; шла эволюция биохимических процессов.

Первичные организмы использовали для питания готовые органические вещества, т. е. были анаэробными гетеротрофами. В условиях увеличения их численности при уменьшении запасов органических веществ в первичном океане у некоторых организмов появилась и закрепилась способность к самостоятельному синтезу органических веществ из неорганических за счет энергии простейших реакций окисления и восстановления. Возник хемосинтез. Хемосинтезирующие бактерии были первыми автотрофными организмами. Первичные микроорганизмы постепенно сокращали исходные запасы водорода, аммиака, метана, сероводорода. Так, серные бактерии окисляли сероводород вулканического происхождения, а водородные — молекулярный атмосферный водород.

Следующий важный этап биологической эволюции — создание пигментных систем для использования световой энергии — возникновение фотосинтеза. Первыми организмами, использующими свет как источник энергии для синтеза органических веществ, были бактерии (типа пурпурных и зеленых серобактерий) и цианеи (синезеленые). Последние в качестве источника водорода использовали воду, и в атмосферу начал выделяться свободный кислород, что явилось предпосылкой для возникновения в ходе эволюции аэробного дыхания, которое почти в 20 раз эффективнее бескислородного анаэробного окисления. Аэробное окисление (важнейший шаг в эволюции) постепенно вытесняет неэкономичное анаэробное.

По геологическим данным, уже 2,7 млрд. лет назад в атмосфере в небольшом количестве имелся свободный кислород. По мере накопления кислорода в верхних слоях атмосферы часть его превращалась в озон, способный интенсивно поглощать ультрафиолетовое и ионизирующее излучение Солнца, — сформировался «озоновый экран». Жизнь, которая первоначально была возможна только в океане, под защитой воды, вышла на сушу и распространилась по всей поверхности Земли.

Жизнь на Земле возникла абиогенным путем. Возможен ли сейчас небиологический путь образования живых организмов, т. е. самозарождение жизни? Нет. Во-первых, на планете отсутствуют условия (температура, состав атмосферы и т. д.), необходимые для абиогенного синтеза органических веществ. Во-вторых, этому препятствует обилие гетеротрофных живых существ, готовых немедленно употребить в пищу любые органические соединения. В современных условиях нашей планеты любые организмы, даже самые примитивные, возникают только биологическим путем, т. е. в процессе размножения себе подобных.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.