Введение

 

Как зародилась жизнь? Ученые столетиями ищут ответ  на этот вопрос и продолжают спорить… Бывшая некогда вотчиной мифов и  религий, тайна возникновения жизни  волнует всякого, кто задумывается, откуда взялись мы сами. Трудно представить  себе появление организмов без вмешательства сверхъестественной силы – до последнего времени их самозарождение из неорганического вещества, образующего нашу планету, казалось абсурдом.

Я выбрала именно эту тему, этапы химической эволюции, потому что хочу знать как возникла жизнь. 

Главной моей целью  является разобрать биохимические  этапы формирования жизни на земле.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

• рассмотреть биохимическую теорию происхождения жизни на Земле;
• узнать этапы химической эволюции;
• рассказать про появление жизни на Земле.

1. Биохимическая теория  происхождения жизни  на Земле

 

Теории, касающиеся возникновения Земли и жизни  на ней, да и всей Вселенной, разнообразны и далеко недостоверны. Она могла  возникнуть из сгустка нейтронов в результате «Большого взрыва», родиться в одной из черных дыр или же была создана Творцом. Вопреки бытующим представлениям, наука не в состоянии опровергнуть идею о божественном сотворении Вселенной. В свою очередь сторонники теологических теорий не обязательно отвергают гипотезу ученых о том, что жизнь в процессе своего развития приобрела черты, объяснимые на основе законов природы.

Из главных  теорий возникновения жизни на Земле  следует упомянуть следующие:

• жизнь была создана сверхъестественным существом в определенное время (креционизм);
• жизнь возникла многократно из неживой материи в процессе самопроизвольного зарождения;
• жизнь существовала всегда(теория стационарного состояния);
• жизнь была занесена на нашу планету извне(панспермия);
• жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся законам химии и физики( биохимическая эволюция).  

И именно последняя  теорию мы рассмотрим более подробно. Согласно современным представлениям жизнь есть результат эволюции материи. В XX в внимание к проблеме зарождения жизни было привлечено советским биохимиком А.И. Опариным , который выдвинул предположение, что жизнь возникла в результате взаимодействия органических соединений, образовавшихся в безкислородных условиях на первобытной Земле. Первобытная Земля имела разреженную (то есть лишенную кислорода) атмосферу. Когда на эту атмосферу стали воздействовать различные естественные источники энергии - например, грозы и извержения вулканов - то при этом начали самопроизвольно формироваться основные химические соединения, необходимые для органической жизни.

С самого начала этот процесс был связан с геологической  эволюцией. В настоящее время  принято считать, что возраст  нашей планеты составляет примерно 4,3 млрд лет. В далеком прошлом  Земля была очень горячей (4000-8000 °С). По мере остывания образовывалась земная кора, а из воды, аммиака, двуокиси углерода и метана - атмосфера. Такая атмосфера называется «восстановительной», поскольку не содержит свободного кислорода. При падении температуры на поверхности Земли ниже 1000C образовались первичные водоемы. Под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси происходил синтез органических веществ-мономеров, которые локально накапливались и соединялись друг с другом, образуя полимеры. Можно допустить, что тогда же одновременно, с полимеризацией шло образование надмолекулярных комплексов-мембран.

С течением времени  молекулы органических веществ накапливались  в океанах, пока не достигли консистенции горячего разбавленного бульона. Однако в некоторых районах концентрация молекул, необходимых для зарождения жизни, была особо высокой, и там образовались нуклеиновые кислоты и протеины.

По однотипным правилам синтезировались в «первичном бульоне» гидросферы Земли полимеры всех типов: аминокислоты, полисахариды, жирные кислоты, нуклеиновые кислоты, смолы, эфирные масла и др. Это предположение было проверено экспериментально в 1953 году на установке Стэнли Миллера.

Эксперимент Миллера, ставший поворотным пунктом в  этой области, был предельно прост. Аппарат состоял из двух стеклянных колб, соединенных в замкнутую цепь. В одну из колб помещено устройство, имитирующее грозовые эффекты - два электрода, между которыми происходит разряд при напряжении около 60 тысяч вольт; в другой колбе постоянно кипит вода. Затем аппарат заполняется атмосферой, предположительно существовавшей на древней Земле: метаном, водородом и аммиаком. Аппарат проработал неделю, после чего были исследованы продукты реакции. В основном получилась вязкое месиво случайных соединений; в растворе также было обнаружено некоторое количество органических веществ, в том числе и простейшие аминокислоты - глицин и аланин.

Первичные клетки предположительно возникли при помощи молекул жиров (липидов). Молекулы воды, смачивая только гидрофильные концы молекул жиров, ставили их как бы «на голову», гидрофобными концами вверх. Таким способом создавался комплекс упорядоченных молекул жиров, которые за счет прибавления к ним новых молекул постепенно отграничивали от всей окружающей среды некоторое пространство, которое и стало первичной клеткой, или коацерватом — пространственно обособившейся целостной системой. Коацерваты оказались способными поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечивало возможность первичного обмена веществ со средой.

 Первые клетки  были гетеротрофами, они не  могли воспроизводить свои компоненты  самостоятельно и получали их  из бульона. Но со временем  многие соединения стали исчезать  из бульона, и клетки были  вынуждены воспроизводить их  самостоятельно. Так клетки развивали собственный обмен веществ для самостоятельного воспроизводства.

Таким образом, первичная клеточная структура, по Опарину, представляла собой открытую химическую микроструктуру, которая  была наделена способностью к первичному обмену веществ, но еще не имела системы для передачи генетической информации на основе нуклеиновых кислот. Такие системы, черпающие из окружающей среды вещества и энергию, могут противостоять нарастанию энтропии и способствовать ее уменьшению в процессе своего роста и развития, что является характерным признаком всех живых систем. Отдельная молекула, даже очень сложная, не может быть живой. Это значит, что не разрозненные части определяют собой организацию целого, а целое, продолжая эволюционировать, обусловливает целесообразность строения частей.

Естественный  отбор сохранял те системы, в которых  были более совершенными функция  обмена веществ и приспособленность  организма в целом к существованию  в данных условиях внешней среды. Постепенное усложнение протобионтов осуществлялось отбором таких коацерватных капель, которые обладали преимуществом в лучшем использовании вещества и энергии среды. Отбор как основная причина совершенствования коацерватов до первичных живых существ — центральное положение в гипотезе Опарина. В последующие годы эти идеи получили широкое признание.

 

 

2. Этапы химической  эволюции

2.1. Образование неорганических  соединений на  Земле

 

По мнению многих биологов, в далеком прошлом  состояние нашей планеты было мало похоже на нынешнее, по всей вероятности, температура ее поверхности была очень высокой (4000-8000⁰ С), и по мере того как Земля остывала, углерод и сравнительно тугоплавкие металлы консоледировались и формировали зеленую кору. Поверхность планеты была обнаженной 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 то время атмосфера была совершенно не такой, как теперь. Легкие газы – водород, гелий, азот, кислород и аргон покидали атмосферу, поскольку гравитационное поле нашей планеты, еще недостаточно плотной, не могло их удержать. Однако простые соединения, содержащие среди прочих, эти элементы, должны были удерживаться, к ним относились вода, аммиак, диоксид углерода. Пока температура Земли не упала ниже 100⁰ С, вся вода находилась в парообразном состоянии. Атмосфера была, «восстановительной» о чем свидетельствует наличие в самых древних горных пород Земли металлов, таких как двухвалетное железо, в восстановленной форме. Более молодые горные породы содержат металлы в окисленной форме.

Отсутствие  в атмосфере кислорода было необходимым  условием для возникновения жизни. Лабораторные опыты показывают, что органические вещества (основа живых организмов) гораздо легче образуются в восстановительной среде, чем в атмосфере, богатой кислородом.

2.2. Образование простейших  соединений из  неорганических веществ

 

В 1923г А.И.Опарин высказал предположение, что атмосфера  первобытной Земли была не такой, как сейчас. Исходя из теоретических  соображений, он предположил, что органические вещества, возможны углеводы, могли  возникнуть в океане из более простых  соединений, энергию для этих реакций синтеза, по-видимому, поставляла интенсивная солнечная радиация(главным образом ультрафиолет) падавшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. По мнению Опарина, разнообразие находившихся в океане простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и леасгитабы времени позволяют предположить, в океане постепенно накапливались органические вещества и образовывался тот «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь. Опарин полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежала белкам.

2.3. Образование нуклеиновых  кислот и первичных  белков

 

Первым шагом  в зарождении жизни был синтез молекул аминокислот из атмосферных  газов. Источниками энергии служили солнце, молнии, вулканы и метеориты. Возникшие «молекулы жизни» затем преобразовывались род действием солнечного тепла, образуя примитивные белки, нуклеотидные цепочки и углеводы.

Образованию углеводов, белков, нуклеиновых кислот и жиров благоприятствовало удачное сочетание природных условий, преобладавших тогда на Земле. Современная наука располагает немалым количеством данных, свидетельствующих о том, что атмосфера древней Земли имела все необходимые ингредиенты для создания более сложных соединений – будущих носителей жизни.

Химический  синтез на формирующейся Земле, должно быть, зависел от таких естественных источников энергии как ультрафиолетовое и тепловое излучение солнца, молнии, вулканическое тепло, радиоактивность, а также резкое сжатие при падении крупных метеоритов и их внедрения в оболочку Земли, сопровождавшиеся выделением тепла.

Итак, на протяжении миллионов лет происходил постепенный  синтез жиров, углеводов, аминокислот  и различных звеньев нуклеиновых  кислот, которые и заполняли первичный «бульон». Но для того чтобы началось жизнь, всем этим веществам необходимо было соединиться центральным событием в химической эволюции жизни было образование нуклеиновых кислот, поскольку иметь их молекулы наделены способностью к самовоспроизведению. Эта способность и оказалась решающей. Без нее не было бы жизни.

Белки, углеводы, жиры являются молекулами жизни. Клеточные  белки играют роль строительных материалов и ферментов, углеводы и жиры поставщиком  энергии, хотя и они участвуют  в строительстве. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Появление жизни  на Земле

 

Около 4 млрд лет  назад на Земле преобладали условия  не подходящие для жизни. Атмосфера  состояла из водорода, метана, аммиака  и водяного пара. Кислород, если и  присутствовал, то в очень небольшом  количестве. Ультрафиолетовые лучи беспрепятственного проходили через эту атмосферу, облучая каменистую поверхность Земли и воду. Извержение вулканов и газовые бури бушевали непрерывно, температуры были очень высокими.

Первым шагом  в зарождении жизни был синтез молекул аминокислот из атмосферных газов. Источниками энергии служили солнце, молнии, вулканы и метеориты.

Возникшие «молекулы  жизни» затем полимеризовались под  действием солнечного тепла, образуя  примитивные белки, нуклеотидные цепочки  и углеводы.

Разгадать происхождение  жизни значит узнать, как возникли соответствующие химические соединения, когда в силу каких-то космических событий возникла Земля, она была лишена жизни. Ядовитая атмосфера и слишком высокие температуры препятствовали существованию живых организмов.

 Прежде  чем на остывающей Земле могли возникнуть хотя бы самые простые живые существа должна быть завершиться эволюция химических соединений жизни. Этот этап или, скорее, бесчисленная последовательность случайных комбинаций и дал начало процессу, в результате которого губительная атмосфера из водяного пара, характерная для первозданной Земли, переродилась в животную атмосферу из кислорода, углекислого газа и азота.

Образованию углеводов, белков, нуклеиновых кислот и жиров благоприятствовало удачное  сочетание природных условий, преобладавших тогда на Земле.

Современная наука располагает немалым количеством  данных, свидетельствующих о том, что атмосфера древней Земли  имела все необходимые ингредиенты  для создания более сложных соединений – будущих носителей жизни.

Химический синтез на формирующейся Земле зависел от таких естественных источников энергии как ультрафиолетовое и тепловое излучения. Солнца, молнии, вулканическое тепло, радиоактивность, а также резкое сжатие при падении крупных метеоритов и их внедрения в оболочку Земли, сопровождавшиеся выделением тепла.