Происхождение жизни на земле

    Сторонники  этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводит в качестве примера представителя кистеперых рыб — латимерию (целаканта). По палеонтологическим данным кистеперые вымерли в конце мелового периода. Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в районе Мадагаскара были найдены живые представители кистеперых. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте. Так, например, внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков.[5]

    В настоящее время теории стационарного состояния, как и теория самозарождения и представляют собой только исторический или философский интерес, так как результаты научных исследований противоречат выводам этих теорий.

    Следующая теория происхождения жизни на земле - теория биохимической эволюции.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    IV глава. Теория биохимической эволюции

    В теорию биохимической эволюции входит ряд моделей происхождения жизни  на земле:

• генобиоз и голобиоз
• белково-коацерватная теория Опарина
• теория мира РНК.

    4.1 Генобиоз и голобиоз

    В зависимости от того, что считается  первичным, различают два методологических подхода к вопросу возникновения жизни:

    Генобиоз - методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода.

    Голобиоз - методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на идее первичности структур, наделенных способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма.

    Концепция «генобиоза» (информационная) появилась в 50-е гг. в связи с работами Холдейна. Он считал, что первичная среда — макромолекулярная система (типа гена), способная к саморепродукции, он назвал ее «голым геном». Пастер тоже рассматривал зарождение живого как возникновение дисимметричной молекулы из симметричной неживой. Американский ученый Г. Блюм (1951) обратил внимание на то, что на ранних этапах эволюции жизни и фотосинтез должен отличаться от современного. Г. Гаффон делил эволюцию энергетики организмов на пять этапов, связанных с последовательной эволюцией внешних условий, в частности, изменением состава солнечного излучения, достигающего земной поверхности (1962). Примитивный фотосинтез использовал ультрафиолетовое излучение, а по мере образования озонового слоя живое постепенно приспосабливалось к фотонам меньшей энергии, но в большем количестве. [2]

    Концепция голобиоза, признающая первичность  белков, не потеряла своего значения. Полипептиды  обладают каталитическими свойствами.

    4.2 Белково-коацерватная теория Опарина

    Среди современных теорий происхождения  жизни на Земле, наиболее обоснованной является теория академика А. И. Опарина.

    В 1924 г. известный биохимик А.И.Опарин высказал предположение, что при  мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4-4,5 млрд. лет назад состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. Необходимую энергию давало Солнце, ультрафиолетовая часть его излучения не поглощалась озоновым слоем (который еще не образовался). Разнообразие простых соединений в океанах, большая водная площадь, обилие солнечной энергии, действовавшей длительное время, образовали «первичный бульон», в котором стали возникать органические соединения. Предсказание академика Опарина оправдалось. [7] В 1955 г. американский исследователь С.Миллер, пропуская электрические заряды через смесь газов и паров, получил простейшие жирные кислоты, мочевину, уксусную и муравьиную кислоты и несколько аминокислот. Таким образом, в середине XX века был экспериментально осуществлен абиогенный синтез белковоподобных и др. органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли. [8]

    Согласно  этой теории процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделен на шесть этапов:

1. Возникновение органических веществ;
2. Возникновение белков;
3. Возникновение белковых тел
4. Постепенное формирование коацерватов
5. Длительный естественный отбор среди коацерватов, закончившийся появлением белка, наделённого основным качеством жизни - самостоятельным обменом вещества
6. происхождение рибосом и транспортных РНК, генетического кода и энергетического механизма клетки с использованием АТФ (рис. 1)

    Рис. 1 Схема белково-коацерватной теории Опарина.

    Астрономические исследования показывают, что как  звезды, так и планетные системы  возникли из газопылевого вещества. В  некоторых случаях эта газопылевая материя объединяется в плотное вещество, которое можно видеть невооруженным глазом. Химические исследования находящегося в галактике газопылевого вещества показали, что в нем наряду с металлами и их окислами обнаружены:  водород, аммиак, вода и простейший углеводород – метан.

    Второй  этап – возникновение белков. Условия  для начала процесса формирования белковых структур создались с момента создания первичного океана. Прежде всего, в водной среде производные углеводородов могли подвергаться сложным химическим изменениям и превращениям. В результате такого усложнения молекул могли образоваться более сложные органические вещества, а именно углеводы.

    Известно, что белковая молекула состоит из отдельных звеньев – аминокислот, которые соединены между собой  при помощи полиптеидных связей. Показано, что в результате применения ультрафиолетовых лучей можно искусственно синтезировать не только аминокислоты, но и другие биохимические вещества.

    Согласно  теории Опарина, дальнейшим шагом по пути к возникновению белковых тел могло явиться образование коацерватных⁶ капель, т. е. капель микроскопического размера, выпадающих при смешении двух белковых растворов. Отсюда возникла новая закономерность уже биологического характера – естественный отбор коацерватных капель. В процессе отбора оставались лишь те капли, которые при распаде на дочерние сохраняли особенности своей структуры, т.е. приобретали свойство самовоспроизведения — важнейшего признака жизни. [3]

    По  достижении этой стадии коацерватная капля превратилась в простейший живой организм.    Коацерватные капли были местом встречи и взаимодействия до этого независимо возникавших простых белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и липидов. [1]

    Под влиянием естественного отбора качество организации белкового вещества все время менялось. В результате возникла та согласованность процессов  синтеза и распада, которая привела к возникновению первых живых организмов.

    Строение  первичных живых существ резко  отличалось даже от строения самых  примитивных ископаемых организмов. Они не имели обычных элементов  клетки - ядра, оболочек, и т.п., питались органическими веществами, растворёнными в окружающей среде; жили в бескислородной среде и представляли собой анаэробные существа. Доклеточные организмы дали начало клеточным организмам. Дальнейший этап в развитии примитивных организмов был вызван, по А. И. Опарину, недостатком растворённых в воде питательных органических соединений при растущем количестве живых организмов. Недостаток пищи привёл к необходимости приспособления организмов к самостоятельному образованию органических веществ из углекислоты и воды. Позднее организмы выработали способность поглощать солнечную энергию и создавать органическое вещество за счёт углерода. Так возникли первые автотрофные организмы - простейшие растения. Возникновение фотосинтеза у организмов имело крупнейшее значение в развитии органического мира. Началось накопление и выделение свободного кислорода, что привело к смене анаэробных⁷ форм аэробными. Смена условий вызвала и дальнейшую эволюцию органического мира - появление ветви первичных примитивных животных, остатки которых не сохранились даже в наиболее древних слоях земной коры».

    Последние этапы возникновения жизни –  происхождение рибосом и транспортных РНК, генетического кода и энергетического  механизма клетки с использованием АТФ – еще не удалось воспроизвести  в лаборатории. Все эти структуры и процессы имеются уже у самых примитивных микроорганизмов, и принцип их строения и функционирования не менялся за всю историю Земли. Поэтому заключительный этап происхождения жизни мы можем пока реконструировать только предположительно – до тех пор, пока его не удастся воссоздать в экспериментах. [3]

    Подобные  условия, существовавшие на Земле 3 — 4 млрд лет назад, в 1953 г. создали в  лаборатории американского биохимика Г. Юри — искровой разряд пропускали через смесь метана, аммиака, водорода и воды. В установке Миллера (рис. 2) удалось синтезировать ряд аминокислот, глутаминовую кислоту, аденин, глицин и простые сахара. После этого Орджел синтезировал простые нуклеиновые кислоты. Другие ученые стали использовать нагревание, пропускание β-лучей и ультрафиолета, и оказалось, что различные источники свободной энергии приводили к образованию сходных веществ. Попадание полученных веществ в воду предохраняло от обратного распада на простые соединения, а взаимодействие друг с другом открывало возможность эволюции. Наиболее эффективным источником оказалось солнечное излучение в диапазоне (2...2,5) 10⁷м.

    В настоящее время излучение с  длиной волны менее 2,9 • 10⁷ м поглощается слоем озона и не доходит до земной поверхности. По оценкам Юри, в предбиологические времена доля свободного кислорода составляла около 10^-3 от современного значения в атмосфере, что было недостаточно для образования озонового слоя. По расчетам геолога и палеонтолога Б.С.Соколова (1976), содержание кислорода только 1 млрд лет назад достигло 1 % современного значения. Опыты Миллера говорят в пользу теории Юри о составе первоначального «бульона». Ранняя атмосфера Земли напоминала атмосферу современного Юпитера, в ней преобладали неокисленные газы — метан, аммиак и водород. X. Оро в 60-е гг. показал, что молекулы синильной кислоты HCN в одностадийной реакции могут конденсироваться с образованием аденина. Простейшие молекулы возникали в очень малых количествах, и нуклеотидов таким путем не смогли получить. Американский ученый К. Саган подсчитал (1966), что образовавшиеся за счет энергии ультрафиолетовых лучей органические вещества способны создать в водах океана 1 %-ный раствор.

    Итак, солнечное излучение способно обеспечить ход мощных процессов синтеза, неорганического  фотосинтеза, чтобы начали вдруг «выживать» более сложные молекулы вместо простых. Если химическая эволюция Земли заняла 4,5 млрд лет, то этап биохимической эволюции, который привел к формированию простейших организмов, — более 2 млрд лет. Теория Опарина получила признание, но оставалось неясным, как из простейших веществ вдруг образовалась молекула, способная размножаться. Так считал и известный американский генетик Г. Миллер: жизнь возникла в форме гена — элементарной единицы наследственности — путем случайного сочетания атомных групп и молекул, встречавшихся в водах первичного океана.

    В 1966 г. немецкий биохимик Г. Шрамм подсчитал  вероятность случайного сочетания 6000 нуклеотидов, образующих РНК вируса табачной мозаики, и получил число 1/10²⁰⁰⁰. Так как считается, что число нуклонов во Вселенной равно 10⁸⁰, то за 10⁹ лет, отведенных для синтеза простейшего организма, невозможно получить хотя бы одну такую молекулу. Поэтому гипотеза случайного соединения не пользуется признанием. Хойл высказался столь красочно, что его слова вошли в фольклор: эта идея «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке «Боинга-747».

    Пока  можно лишь утверждать, что на возникновение  жизни в земном варианте потребовалось относительно мало времени – менее одного млрд. лет. Уже 3,8 млрд. лет назад существовали первые микроорганизмы, от которых произошло все многообразие форм земной жизни.