Происхождение жизни на Земле. Теория биохимической эволюции

     Благодаря тому, что концентрация веществ в  коацерватных каплях была в десятки  раз больше, чем в окружающем растворе, возможность взаимодействия между  отдельными молекулами значительно  возрастала.

     Известно, что молекулы многих веществ, в частности  полипептидов и жиров, состоят из частей, обладающих разным отношением к воде. Гидрофильные части молекул, расположенные на границе между  коацерватами и раствором, поворачиваются в сторону раствора, где содержание воды больше. Гидрофобные части ориентируются  внутрь коацерватов, где концентрация воды меньше. В результате поверхность  коацерватов приобретает определенную структуру и в связи с этим свойство пропускать в определенном направлении одни вещества и не пропускать другие. Благодаря этому свойству концентрация некоторых веществ  внутри коацерватов еще больше возрастает, концентрация других уменьшается, и  реакции между компонентами коацерватов приобретают определенную направленность. Коацерватные капли становятся системами, обособленными от среды. Возникают протоклетки, или протобионты.

     Важным  этапом химической эволюции явилось  образование мембранной структуры. Параллельно с появлением мембраны шло упорядочение и усовершенствование метаболизма. В дальнейшем усложнении обмена веществ в таких системах существенную роль должны были играть катализаторы.

     Одним из основных признаков живого является способность к репликации, т. е. созданию копий, не отличаемых от материнских  молекул. Таким свойством обладают нуклеиновые кислоты, которые в  отличие от белков способны к репликации. В коацерватах мог образовываться протеноид, способный катализировать полимеризацию нуклеотидов с  образованием коротких цепочек РНК. Эти цепочки могли выполнять  роль как примитивного гена, так  и информационной РНК. В этом процессе не участвовали еще ни ДНК, ни рибосомы, ни транспортные РНК, ни ферменты белкового  синтеза. Все они появились позже.

     Уже на стадии формирования протобионтов имел место, вероятно, естественный отбор, т. е. сохранение одних форм и элиминация (гибель) других. Так прогрессивные  изменения в структуре протобионтов закреплялись благодаря отбору.

     Появление структур, способных к самовоспроизведению, репликации, изменчивости определяет, по-видимому, четвертый этап становления  жизни.

     Итак, в позднем архее (приблизительно 3,5 млрд. лет назад) на дне небольших  водоемов или мелководных, теплых и  богатых питательными веществами морей  возникли первые примитивные живые  организмы, которые по типу питания были гетеротрофами, т. е. питались готовыми органическими веществами, синтезированными в ходе химической эволюции. Способом обмена веществ им служило, вероятно, брожение — процесс ферментативного превращения органических веществ, в котором акцепторами электронов служат другие органические вещества.

     Часть энергии, выделяемой в этих процессах, запасается в виде АТФ. Возможно, некоторые  организмы для жизненных процессов  использовали и энергию окислительно-восстановительных  реакций, т. е. были хемосинтетиками.

     Со  временем происходило уменьшение запасов  свободной органики в окружающей среде и преимущество получили организмы, способные синтезировать органические соединения из неорганических. Таким  путем, вероятно, около 2 млрд. лет назад  возникли первые фототрофные организмы  типа цианобактерий, способные использовать световую энергию для синтеза  органических соединений из СО2 и Н2О  выделяя при этом свободный кислород.

     Переход к автотрофному питанию имел большое  значениё для эволюции жизни на Земле  не только с точки зрения создания запасов органического вещества, но и для насыщения атмосферы  кислородом. При этом атмосфера стала  приобретать окислительный характер.

     Появление озонового экрана защитило первичные  организмы от губительного воздействия  ультрафиолетовых лучей и положило конец абиогенному (небиологическому) синтезу органических веществ.

     Таковы  современные научные представления  об основных этапах происхождения и  становления жизни в Земле.  

3. Вещественная  основа жизни

     В 1923г. российский учёный Александр Иванович Опарин предположил, что в условиях первобытной Земли органические вещества возникали из простейших соединений — аммиака, метана, водорода и воды. Энергия, необходимая для подобных превращений, могла быть получена или  от ультрафиолетового излучения, или  от частых грозовых электрических разрядов — молний. Возможно, эти органические вещества постепенно накапливались  в Древнем океане, образуя первичный  бульон, в котором и зародилась жизнь.

     По  гипотезе А.И. Опарина, в первичном  бульоне длинные нитеобразные молекулы белков могли сворачиваться в  шарики, «склеиваться» друг с другом, укрупняясь. Благодаря этому они  становились устойчивыми к разрушающему действию прибоя и ультрафиолетового  излучения. Происходило нечто подобное тому, что можно наблюдать, вылив  на блюдце ртуть из разбитого градусника: рассыпавшаяся на множество мелких капелек ртуть постепенно собирается в капли чуть побольше, а потом  — в один крупный шарик. Белковые «шарики» в «первичном бульоне» притягивали  к себе, связывали молекулы воды, а также жиров. Жиры оседали на поверхности белковых тел, обволакивая  их слоем, структура которого отдалённо  напоминала клеточную мембрану. Этот процесс Опарин назвал коацервацией (от лат. соасеrvus — «сгусток»), а получившиеся тела — коацерватными каплями, или  просто коацерватами. С течением времени  коацерваты поглощали из окружавшего  их раствора всё новые порции вещества, их структура усложнялась до тех  пор, пока они не превратились в очень  примитивные, но уже живые клетки.  

4. Теория  биохимической эволюции

Среди астрономов, геологов и биологов принято - считать, что  возраст Земли составляет примерно 4,5-5 млрд. лет.

По мнению многих биологов, в далеком прошлом состояние  нашей планеты было мало похоже на нынешнее: по всей вероятности, температура  ее поверхности была очень высокой (4000-8000°С), и по мере того, как Земля  остывала, углерод и более тугоплавкие  металлы конденсировались и образовали земную кору; поверхность планеты была, вероятно, голой и неровной, так как на ней в результате вулканической активности, непрерывных подвижек коры и сжатия, вызванного охлаждением, происходило образование складок и разрывов.

Полагают, что в  те времена атмосфера была совершенно не такая, как теперь. Легкие газы - водород, гелий, азот, кислород и аргон - уходили  из атмосферы, так как гравитационное поле нашей еще недостаточно плотной  планеты не могло их удержать. Однако простые соединения, содержащие (среди  прочих) эти элементы, должны были удерживаться; к ним относятся вода, аммиак, двуокись углерода и метан. До тех  пор пока температура Земли не упала ниже 100°С, вся вода, вероятно, находилась в парообразном состоянии.

 Атмосфера была, по-видимому, “восстановительной”,  о чем свидетельствует наличие  в самых древних горных породах  Земли металлов в восстановленной  форме, таких как двухвалентное  железо. Более молодые горные  породы содержат металлы в  окисленной форме, например трехвалентное  железо. Отсутствие в атмосфере  кислорода было, вероятно, необходимым  условием для возникновения жизни;  лабораторные опыты показывают, что, как это ни парадоксально, органические вещества (основа живых организмов) гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере,, богатой кислородом. В 1923 г. А. И. Опарин высказал мнение, что атмосфера первичной Земли была не такой, как сейчас, а примерно соответствовала сделанному выше описанию. Исходя из теоретических соображений, он полагал, что органические вещества, возможно углеводороды, могли создаваться в океане из более простых соединений; энергию для этих реакций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнечная радиация (главным образом ультрафиолетовая), падавшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. По мнению Опарина, разнообразие

находившихся в  океанах простых соединений, площадь  поверхности Земли, доступность  энергии и масштабы времени позволяют  предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и  образовался тот “первичный бульон”, в котором могла возникнуть жизнь. Эта идея была не нова: в 1871 г.  сходную  мысль высказал Дарвин:

“Часто говорят, что все необходимые для создания живого организма условия, которые  могли когда-то существовать, имеются  и в настоящее время. Но если (ох, какое это большое “если”) представить  себе, что в каком-то небольшом  теплом пруду, содержащем всевозможные аммонийные и фосфорные соли, при  наличии света, тепла, электричества  и т.п. образовался бы химическим путем белок, готовый претерпеть еще более сложные превращения, то в наши дни такой материал непрерывно пожирался бы или поглощался, чего не могло случиться до того, как  появились живые существа”.

В 1953 г. Стэнли Миллер в ряде экспериментов моделировал  условия, предположительно существовавшие на первобытной Земле. В созданной  им установке снабженной источником энергии, ему удалось синтезировать многие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряд аминокислот, аденин и простые сахара, такие как рибоза. После этого Орджел в Институте Солка в сходном эксперименте синтезировал нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц.

Позднее возникло предположение, что в первичной атмосфере, в  относительно высокой концентрации содержалась двуокись углерода. Недавние эксперименты, приведенные с использованием установки Миллера, н которую, однако, поместили смесь СО₂ и Н₂О и только следовые количества других газов, дали такие же результаты, какие получил Миллер. Теория Опарина завоевала широкое признание, но она, оставляет нерешенными проблемы, связанные с переходом от сложных органических веществ к простым живым организмам. Именно в этом аспекте теория биохимической эволюции предлагает общую схему, приемлемую для большинства современных биологов. Однако они не пришли к единому мнению о деталях этого процесса.

Опарин полагал, что  решающая роль в превращении неживого в живое принадлежала белкам. Благодаря  амфотерности белковых молекул они  способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов -притягивают  к себе молекулы воды, создающие  вокруг них оболочку. Эти комплексы  могут обособляться от всей массы  воды, в которой они суспендированы (водной фазы), и образовывать своего рода эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом приводит к отделению  коллоидов от водной среды - процесс, называемый коацервацией (от лат. coacervus - сгусток или куча). Богатые коллоидами коацерваты, возможно, были способны обмениваться с окружающей средой веществами и избирательно накапливать различные соединения, в особенности кристаллоиды. Коллоидный состав данного коацервата, очевидно, зависел от состава среды. Разнообразие состава “бульона” в разных местах вело к различиям в химическом составе коацерватов и поставляло таким образом сырье для “биохимического естественного отбора”.

Предполагается, что  в самих коацерватах входящие в их состав вещества вступали в  дальнейшие химические реакции; при  этом происходило поглощение коацерватами ионов металлов и образование  ферментов. На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались  молекулы липидов (сложные углеводороды), что приводило к образованию  примитивной клеточной мембраны, обеспечивавшей концерватам стабильность. В результате включения в коацерват  пред существующей молекулы, способной  к. самовоспроизведению, и внутренней перестройки покрытого липидной оболочкой коацервата могла возникнуть примитивная клетка. Увеличение размеров коацерватов и их фрагментация, возможно, вели к образованию идентичных коацерватов, которые могли поглощать больше компонентов среды, так что этот процесс мог продолжаться. Такая  предположительная последовательность событий должна была привести к возникновению  примитивного самовоспроизводящегося гетеротрофного организма, питавшегося  органическими веществами первичного бульона.

Хотя эту гипотезу происхождения жизни признают очень  многие ученые, астроном Фред Хойл недавно  высказал мнение, что мысль о возникновении  живого в результате описанных выше случайных взаимодействий молекул  “столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся  над мусорной свалкой, может привести к сборке Боинга-747”¹.

¹ Самое трудное для этой теории - объяснить появление способности живых систем к самовоспроизведению. Гипотезы по этому вопросу пока мало убедительны. 

     Заключение 

     На  основе изученного материала по данной теме, были сделаны следующие основополагающие выводы:

     - Жизнь — одно из сложнейших  явлений природы. Со времен  глубокой древности она казалась  таинственной и непознаваемой  — вот почему по вопросам  ее происхождения всегда шла  острая борьба между материалистами  и идеалистами. Приверженцы идеалистических  взглядов считали (и считают)  жизнь духовным, нематериальным  началом, возникшим в результате  божественного творения. Материалисты  же, напротив, полагали, что жизнь  на Земле могла возникнуть  из неживой материи путем самозарождения (абиогенез) или занесения из  других миров, т.е. является  порождением других живых организмов (биогенез). По современным представлениям, жизнь — это процесс существования  сложных систем, состоящих из  больших органических молекул  и неорганических веществ и  способных самовоспроизводиться, саморазвиваться  и поддерживать свое существование  в результате обмена энергией  и веществом с окружающей средой. С накоплением человеком знаний об окружающем мире, развитием естествознания изменялись взгляды на происхождение жизни, выдвигались новые гипотезы. Однако и сегодня вопрос о происхождении жизни еще окончательно не решен. Существует множество гипотез происхождения жизни.