Появление жизни на земле

Предпосылки возникновения жизни.

Для того чтобы правильно представить процесс возникновение жизни, необходимо кратко рассмотреть современные взгляды на образование Солнечной системы и положение Земли среди её планет. Эти представления очень важны, так как, несмотря на общность происхождения планет, окружающих Солнце, только на Земле появилась жизнь и достигла исключительного разнообразия.

В астрономии считается принятым, что Земля и другие планеты Солнечной системы образовались из газово-пылевого облака около 4,5 миллиардов лет тому назад. Такая газово-пылевая материя встречается в межзвёздном пространстве и в настоящее время. Водород - преобладающий элемент Вселенной. Путём реакции ядерного синтеза из него возникает гелий, из которого, в свою очередь, образуется углерод. Ядерные процессы внутри облака продолжались длительное время (сотни миллионов лет). Ядра гелия объединялись с ядрами углерода и формировали ядра кислорода, затем неона, магния, серы и т. д.

Таким образом, под действием высоких температур и гравитационного сжатия, обусловленного вращением облака вокруг своей оси, возникают различные химические элементы, составляющие основную массу звёзд, планет и их атмосферы. Образование химических элементов при возникновении звездных систем, в том числе и таких, как наша Солнечная система, - закономерное явление в эволюции материи. Однако для её дальнейшего развития на пути к возникновению жизни необходимы были некоторые космические и планетарные условия. Одно из таких условий – размеры планеты. Масса ее не должна была быть слишком большой, так как энергия атомного распада природных радиоактивных веществ может привести к перегреванию планеты или, что еще более важно, к радиоактивному загрязнению среды, несовместимому с жизнью. Маленькие планеты не способны удерживать около себя атмосферу, потому что сила притяжения их невелика. Это обстоятельство исключает возможность развития жизни. Примером таких планет может служить спутница Земли – Луна. Второе, не менее важное условие – движение планеты вокруг звезды по круговой или близкой к круговой орбите, позволяющее постоянно и равномерно получать необходимое количество энергии. Наконец, третье необходимое условие для развития материи и возникновения живых организмов – постоянная интенсивность излучения светила. Последнее условие также очень важно, потому что в противном случае поток лучистой энергии, поступающий на планету, не будет равномерным. Неравномерность потока энергии, приводя к резким колебаниям температуры, неизбежно препятствовала бы возникновению и развитию жизни, так как существование живых организмов возможно в пределах весьма жестких температурных рамок. Стоит вспомнить, что живые существа на 80-90 % состоят из воды, причем не газообразной (пар) и не твердой (лед), а жидкой. Следовательно, температурные границы жизни определяются еще и жидким состоянием воды.

Всем этим условиям удовлетворяла наша планета – Земля. Итак, около 4,5 млрд. лет назад на Земле создались космические, планетарные и химические условия для развития материи в направлении возникновения жизни.

Современные представления о возникновении жизни.

На первых этапах своего формирования Земля имела очень высокую температуру. По мере остывания планеты тяжелые элементы перемещались к ее центру, а более легкие соединения (Н2, СО2, СН4, и др.) оставались на поверхности. Металлы и другие, способные к окислению элементы соединялись с кислородом, и в атмосфере Земли свободного кислорода не было. Атмосфера состояла из свободного водорода и его соединений (НО, СН, NH, HCN) и поэтому носила восстановительный характер. По мнению академика А. И. Опарина, это служило важной предпосылкой возникновения органических молекул небиологическим путём. Несмотря на то что ещё в первой трети 19 века немецкий учёный Ф. Вёлер доказал возможность синтеза органических соединений в лабораторных условиях, многие учёные считали, что эти соединения могут возникать только в живом организме. В связи с этим их называли органическими соединениями в противоположность веществам неодушевлённой природы, названным неорганическими соединениями. Однако простейшие углеродсодержащие соединения – углеводороды, - как оказалось, могут образовываться даже в космическом пространстве. Астрономы обнаружили метан в составе атмосферы Юпитера, Сатурна и во многих туманностях Вселенной. Углеводороды могли входить и в состав атмосферы Земли. Вместе с другими компонентами газовой оболочки нашей планеты – водородом, парами воды, аммиаком, синильной кислотой и другими веществами – они подвергались воздействию различных источников энергии: жесткому, близкому к рентгеновскому, ультрафиолетовому излучению Солнца, высокой температуре в области грозовых разрядов и в районах активной вулканической деятельности и т. д. В результате этого простейшие компоненты атмосферы вступали во взаимодействие, многократно изменяясь и усложняясь. Возникали молекулы сахаров, аминокислот, азотистые основания, органические кислоты и другие органические соединения.

В 1953 году американский учёный С. Миллер экспериментально доказал возможность таких превращений. Пропуская электрический разряд через смесь Н2, Н2О, СН4 и NH3 он получил набор из нескольких аминокислот и органических кислот.

В дальнейшем подобные эксперименты проводились во многих странах, при этом использовались различные источники энергии, всё более точно воссоздавались условия первобытной Земли. Было установлено, что абиогенным путём в отсутствии кислорода могут быть синтезированы очень многие простые органические соединения, входящие в состав биологических полимеров – белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов.

Возможность абиогенного синтеза органических соединений доказывается и тем, что они обнаружены в космическом пространстве. Речь идёт о цианистом водороде (HCN), формальдегиде, муравьиной кислоте, этиловом спирте и других веществах. В некоторых метеоритах обнаружены жирные кислоты, сахароза, аминокислоты. Всё это свидетельствует о том, что достаточно сложные органические соединения могли возникать чисто химическим путем в условиях, существовавших на Земле примерно 4-4,5 млрд. лет назад.

Теперь вновь возвратимся к рассмотрению процессов, протекавших на Земле в те времена, когда колбой Миллера был весь Земной шар. Земля находилась во власти могучих стихий. Извергались вулканы, вздымая в небо огненные столбы. С гор и вулканов текли потоки раскаленной лавы, огромные клубы пара окутывали Землю, сверкали молнии, гремели раскаты грома. По мере остывания планеты водяные пары, находившиеся в атмосфере, также остывали, конденсировались и обрушивались ливнями. Образовывались огромные водные пространства. Поскольку Земля была еще достаточно горячей, вода испарялась, а затем, охлаждаясь в верхних слоях атмосферы, вновь выпадала на поверхность планеты в виде дождей. Это продолжалось в течение многих миллионов лет. В водах первичного океана были растворены компоненты атмосферы, различные соли. Кроме того, туда постоянно попадали и непрерывно образующиеся в атмосфере простейшие органические соединения – те самые компоненты, из которых возникали более сложные молекулы. В водной среде они конденсировались, в результате чего появились первичные полимеры – полипептиды и полинуклеотиды. Надо заметить, что для образования более сложных органических веществ требуются значительно менее жесткие условия, чем для возникновения простых молекул. Например, синтез аминокислот из смеси газов, входивших в состав атмосферы древней Земли, происходит при t=1000˚C,а конденсация их в полипептид – всего лишь при t=160˚С.

Следовательно, образования разнообразных органических соединений из неорганических веществ в тех условиях было закономерным процессом химической эволюции.

Таким образом, условиями для абиогенного возникновения органических соединений были восстановительный характер атмосферы Земли (соединения, обладающие восстановительными свойствами, легко вступают во взаимодействия между собой и с веществами-окислителями), высокая температура, грозовые разряды и мощное ультрафиолетовое излучение Солнца, которое в то время еще не задерживалось озоновым экраном.

Итак, первичный океан, по-видимому, содержал в растворенном виде различные органические и неорганические молекулы, попадающие в него из атмосферы и вымываемые из поверхностных слоев Земли. Концентрация органических соединений постоянно увеличивалась, и в конце концов вода океана стала «бульоном» из белково-подобных веществ – пептидов, а также нуклеиновых кислот и других органических соединений.

Молекулы различных веществ могут объединяться, образуя многомолекулярные комплексы – коацерваты. В первичном океане коацерваты, или коацерватные капли, обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в водах первичного океана. В результате этого внутреннее строение коацервата претерпевало изменения, что вело или к его распаду, или к накоплению веществ, т.е. к росту и к изменению химического состава, повышающих устойчивость коацерватной капли в постоянно меняющихся условиях. Судьба капли определялась преобладанием одного из процессов. Академик А. И. Опарин отмечал, что в массе коацерватных капель должен был идти отбор наиболее устойчивых в данных конкретных условиях. Достигнув определенных размеров, материнская коацерватная капля могла распадаться на дочерние. Дочерние коацерваты, структура которых мало отличалась от материнской, продолжали свой рост, а резко отличавшиеся капли распадались. Естественно, что продолжали существовать только те коацерватные капли, которые, вступая в какие-то элементарные формы обмена со средой, сохраняли относительное постоянство своего состава. В дальнейшем они приобрели способность поглощать из окружающей среды лишь те вещества, которые обеспечивали их устойчивость, а также выделять наружу продукты обмена. Параллельно увеличивались различия между химическим составом капли и окружающей среды. В процессе длительного отбора (его называют химической эволюцией) сохранились лишь те капли, которые при распаде на дочерние не утрачивали особенностей своей структуры, т.е. приобрели способность к самовоспроизведению.

По-видимому, это важнейшее свойство возникло вместе со способностью к синтезу органических веществ внутри коацерватных капель, важнейшими составными частями которых уже в то время были полипептиды и полинуклеотиды. Способность к самовоспроизведению непрерывно связана с присущими им свойствами. В ходе эволюции появились полипептиды, обладающие каталитической активностью, т. е. способностью значительно ускорять течение химических реакций.

Полинуклеотиды в силу своих химических особенностей способны связываться друг с другом по принципу дополнения, или комплиментарности, и, следовательно, осуществлять не ферментативный синтез дочерних нуклеотидных цепей.

Следующий важный шаг небиологической эволюции - объединение способности полинуклеотидов к самовоспроизведению с возможностью полипептидов ускорять течение химических реакций, так как удвоение молекул ДНК эффективнее осуществляется с помощью белков, обладающих каталитической активностью. В то же время стабильность «удачных» комбинаций аминокислот в полипептидах может обеспечивать только сохранением информации о них в нуклеиновых кислотах. Связь белковых молекул и нуклеиновых кислот в конце концов привела к возникновению генетического кода, т. е. такой организации молекул ДНК, в которой последовательность нуклеотидов стала служить информацией для построения конкретной последовательности аминокислот в белках.

Дальнейшее усложнение обмена веществ у предбиологических структур могло происходить только в условиях пространственного разделения различных синтетических и энергетических процессов внутри коацервата, а также более прочной изоляции внутренней среды от внешних воздействий по сравнению с той, которой могла обеспечить водная оболочка. Такую изоляцию могла осуществить лишь мембрана. Вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои жиров, или липидов, отделившие коацерват от окружающей водной среды и преобразовавшиеся в ходе дальнейшей эволюции в наружную мембрану. Появление биологической мембраны, отделяющей содержимое коацервата то окружающей среды и обладающей способностью к избирательной проницаемости, предопределило направление дальнейшей химической эволюции по пути развития всё более совершенных саморегулирующихся систем, вплоть до возникновения первых примитивно (т.е. очень просто) устроенных клеток.

Образование первых клеточных организмов положило начало биологической эволюции. Эволюция структур, предшествовавших биологическим, таких, как коацерваты, началась очень рано и протекала в течение длительного времени.

Более пятнадцати лет назад академик Б. С. Соколов, говоря о времени существования жизни на Земле, назвал цифру 4 миллиарда 250 миллионов лет. Именно здесь, по современным научным данным, прослеживается граница между «нежизнью» и «жизнью». Эта цифра очень важна. Оказалось, что самое главное событие в истории жизни – возникновение её молекулярно-генетических основ – произошло, по геологическим масштабам, прямо-таки мгновенно: всего через 250 миллионов лет после рождения самой планеты и, по-видимому, одновременно с образованием океанов. Дальнейшие исследования показали, что первые клеточные организмы появились на нашей планете значительно позже – понадобилось около миллиарда лет, чтобы из структур, подобных коацерватам возникли первые простейшие клеточные организмы. Их удалось обнаружить в породах, имеющих возраст около 3-х миллиардов лет.

Первые обитатели нашей планеты оказались совсем крохотными «пылинками»: их длина всего 0,7, а ширина 0,2 микрометра. Разработка идеи химической предбиологической эволюции, приведшей к возникновению клеточных форм жизни, раскрыла роль разнообразных факторов среды в этом процессе. В частности, Дж. Бернал обосновал участие глинистых отложений на дне водоемов в концентрировании органических веществ абиогенного происхождения. Считают также, что на ранних этапах формирования планеты Земля проходила в межзвездном пространстве через пылевые облака и могла захватить вместе с космической пылью большое количество образованных в космосе органических молекул. По приблизительным оценкам, количество

это соизмеримо с биомассой современной Земли.