Концепции происхождения органической жизни на Земле и сущность жизни

8. Благодаря процессу  естественного отбора из этих  первых клеток появились все  живые организмы, существующие  на Земле⁶.

За прошедшие десятилетия  концепция биохимической эволюции была подтверждена и существенно дополнена новыми данными из разных областей естествознания.

Так, американский ученый Г. Миллер выдвинул гипотезу о случайном  возникновении первичной молекулы живого вещества. В 1953 г. Л.С. Миллер экспериментально доказал возможность абиогенного (не происходящего от живого организма) синтеза органических соединений из неорганических. Пропуская электрические разряды через смесь нагретых газов Н2, Н2О (в виде пара), СН4 и NH3, он получил набор нескольких аминокислот и органические кислоты ⁷.

Таким образом, существует большое количество гипотез происхождения жизни на Земле. Наиболее распространенными являются: креационизм, концепция стационарного состояния, концепция самопроизвольного зарождения, концепция панспермии, концепция биохимического происхождения жизни. Практически все описанные выше концепции продолжают пользоваться большей или меньшей популярностью и в настоящее время. Это свидетельствует о том, что до сих пор единая стройная концепция появления жизни, объясняющая все особенности живых систем в настоящее время отсутствует.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Современные представления происхождения жизни на Земле

 

Отрицание возможности самозарождения жизни в настоящее время не противоречит представлениям о принципиальной возможности развития органической природы, жизни в прошлом из неорганической материи. На определенной стадии развития материи жизнь может возникнуть как результат естественных процессов, совершающихся в неорганической природе. Кроме того, элементарные химические процессы на начальных этапах возникновения и развития жизни могли происходить не только на Земле, но и в других частях Вселенной и в различное время. Поэтому не исключается возможность занесения определенных предпосылочных факторов жизни на Землю из Космоса. Однако в изученной пока человеком части Вселенной только на Земле они привели к формированию и расцвету жизни.

Согласно положениям современной науки, жизнь возникла из неживого вещества в результате эволюции материи, является результатом естественных процессов, происходивших во Вселенной. Жизнь – это свойство материи, которое ранее не существовало и появилось в особый момент истории Земли. Возникновение жизни явилось результатом процессов, протекавших сначала миллиарды лет во Вселенной, а затем многие миллионы лет на Земле. От неорганических соединений к органическим, от органических к биологическим – таковы последовательные стадии процесса зарождения жизни.

В сложном процессе возникновения  жизни на Земле можно выделить несколько основных этапов. Первый из них связан с образованием простейших органических соединений из неорганических. На начальных этапах своей истории Земля представляла собой раскаленную планету. Вследствие вращения при постепенном снижении температуры атомы тяжелых элементов перемещались к центру, а в поверхностных слоях концентрировались атомы легких элементов (водорода, углерода, кислорода, азота), из которых и состоят тела живых организмов. При дальнейшем охлаждении Земли появились химические соединения: вода, метан, углекислый газ, аммиак, цианистый водород, а также молекулярный водород, кислород, азот. Благодаря физическим и химическим свойствам воды (высокий дипольный момент, вязкость, теплоемкость и т. д.) и углерода (трудность образования окислов, способность к восстановлению и образованию линейных соединений) они оказались у колыбели жизни ⁸.

На этих этапах сложилась  первичная атмосфера Земли, которая  носила не окислительный, как сейчас, а восстановительный характер. Кроме  того, она была богата инертными  газами (гелием, неоном, аргоном). Дальнейшее снижение температуры обусловило переход ряда газообразных соединений в жидкое и твердое состояние, а также образование земной коры. Когда температура поверхности Земли опустилась ниже 100 °С произошло сгущение водяных паров. Длительные ливни с частыми грозами привели к образованию больших водоемов. В результате активной вулканической деятельности из внутренних слоев Земли на поверхность выносилась раскаленная масса, в том числе карбиды — соединения металлов с углеродом. При взаимодействии карбидов с водой выделялись углеводородные соединения. Горячая дождевая вода как хороший растворитель имела в своем составе растворенные углеводороды, газы (аммиак, углекислый газ, цианистый водород), соли и другие соединения, которые могли вступать в химические реакции. С особым успехом, видимо, протекали процессы роста молекул при наличии группы — N = С = N —. Эта группа имеет большие химические возможности к росту за счет присоединения к атому углерода атома кислорода и реагирования с азотистым основанием. Так постепенно на поверхности молодой планеты Земля накапливались, причем в больших количествах, простейшие органические соединения. Вместе с тем астрономическими исследованиями установлено, что и на других планетах, и в космической газопылевой материи имеются углеродные соединения, в том числе углеводороды.

Второй этап биогенеза  характеризовался возникновением более  сложных органических соединений (в  частности, белковых веществ нуклеиновых  кислот) в водах первичного океана. Благодаря высокой температуре, грозовым разрядам, усиленному ультрафиолетовому излучению относительно простые молекулы органических соединений при взаимодействии с другими веществами усложнялись, полимеризировались и образовывались углеводы, жиры, аминокослоты, белки и нуклеиновые кислоты ⁹.

Возможность такого синтеза  была доказана опытами А.М. Бутлерова, который еще в середине XIX в. получил  из формальдегида углеводы (сахар). В 1953—1957 гг. химиками различных стран (США, СССР, Германии) в целом ряде экспериментов из смеси газов (аммиака, метана, водяного пара, водорода) при 70—80 °С и давлении несколько атмосфер под воздействием электрических разрядов напряжением 60 000 В и ультрафиолетовых лучей были синтезированы органические кислоты, в том числе аминокислоты (глицин, аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты), которые служат материалом для образования белковой молекулы. Таким образом, были смоделированы условия первичной атмосферы Земли, при которых могли образовываться аминокислоты, а при их полимеризации — и первичные белки. Особенно важно то, что лабораторные эксперименты совершенно определенно показали возможность образования белковых молекул в условиях отсутствия жизни.

С определенного этапа  в процессе химической эволюции на Земле активное участие стал принимать  кислород. Он мог накапливаться в  атмосфере Земли в результате разложения воды и водяного пара под  действием ультрафиолетовых лучей  Солнца. (Для превращения восстановленной атмосферы первичной Земли в окисленную потребовалось не менее 1—1,2 млрд лет.) С накоплением в атмосфере кислорода восстановленные соединения начали окисляться. Так, при окислении метана образовались метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота и т.д., которые вместе с дождевой водой попадали в первичный океан. Эти вещества, вступая в реакции с аммиаком и цианистым водородом, дали начало аминокислотам и соединениям типа аденина. Важно и то, что более сложные органические соединения являются более стойкими, чем простые соединения, перед разрушающим действием ультрафиолетового излучения.

Дальнейший этап биогенеза  связан с концентрацией органических веществ и образованием фазовообособленных систем. Такие системы носят открытый характер и способны взаимодействовать с внешней средой. «Механизм», определяющий образование фазовообособленных систем, — так называемая неспецифическая самосборка, спонтанное упорядоченное объединение биополимеров за счет образования нековалентных, вторичных связей (ионные, водородные, межмолекулярного взаимодействия). Особенно активно такое объединение происходит в условиях пространственной взаимодополняемости (взаимное соответствие) поверхностей взаимодействующих молекул (комплементарность). Фазовообособленные системы — это некие протоклетки (пробионты). В качестве пробионтов могли выступать коацерваты — мельчайшие коллоидальные частицы, капли, обладающие осмотическими свойствами.

В водах первичного океана концентрация органических веществ  увеличивалась, происходили их смешивание, взаимодействие и объединение в мелкие обособленные структуры раствора. Такие структуры довольно просто получить искусственно, смешивая растворы разных белков, например желатина и альбумина. Эти обособленные в растворе органические многомолекулярные структуры русский ученый А.И. Опарин назвал коацерватными каплями, или коацерватами¹⁰. Коацерваты образуются в слабых растворах. Вследствие взаимодействия противоположных электрических зарядов происходит агрегация молекул. Мелкие сферические частицы возникают потому, что молекулы воды создают вокруг образовавшегося агрегата поверхность раздела.

Исследования показали, что коацерваты имеют достаточно сложную организацию и обладают рядом свойств, которые сближают их с простейшими живыми системами. Например, они способны поглощать из окружающей среды разные вещества, которые вступают во взаимодействие с соединениями самой капли, и увеличиваться в размере. Эти процессы в какой-то мере напоминают первичную форму ассимиляции. Выделяются отдельные динамически более стойкие структуры с преобладанием синтетической деятельности.

Коацерваты объясняют, как появились биологические  мембраны. Образование мембранной структуры  считается самым «трудным» этапом химической эволюции жизни. Истинное живое  существо (в виде клетки, пусть даже самой примитивной) не могло оформиться до возникновения мембранной структуры и ферментов. Биологические мембраны — это агрегаты белков и липидов, способные отграничить вещество от среды и придать упаковке молекул прочность. Мембраны могли возникнуть в ходе формирования коацерватов.

Повышенная концентрация органических веществ в коацерватах  увеличивала возможность взаимодействия между молекулами и усложнения органических соединений. Уже на стадии формирования коацерватов зарождается отбор, который приводит к сохранению наиболее устойчивых, организованных структур. Однако все это еще не дает основания считать коацерваты живыми системами, потому что они лишены способности к самовоспроизведению и саморегуляции синтеза органических веществ. Но предпосылки возникновения живого в них уже содержались.

Кроме коацерватов в  «первичном бульоне» накапливались  полинуклеотиды, полипептиды и различные  катализаторы, без которых невозможно формирование способности к самовоспроизведению  и обмену веществ. Катализаторами могли быть и неорганические вещества. Так, Дж. Бернал в свое время выдвинул гипотезу о том, что наиболее удачные условия для возникновения жизни складывались в небольших спокойных теплых лагунах с большим количеством ила, глинистой мути. В такой среде и без нагрева очень быстро протекает полимеризация аминокислот, так как частицы ила выступают в качестве своеобразных катализаторов.

Важнейшая цель в теории о происхождении жизни – объяснить возникновение матричного синтеза белков. Жизнь возникла не тогда, когда образовались пусть даже очень сложные органические соединения, отдельные молекулы ДНК и др., а тогда, когда начал действовать механизм конвариантной редупликации. Именно поэтому завершение процесса биогенеза связано с возникновением у более стойких коацерватов способности к самовоспроизведению составных частей, генетического кода, с переходом к матричному синтезу белка, характерному для живых организмов. В ходе предбиологического отбора наибольшие шансы на сохранение имели те коацерваты, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению. Переход к матричному синтезу белков был величайшим качественным скачком в эволюции материи. Однако механизм перехода пока не ясен. Основная трудность здесь состоит в том, что для удвоения нуклеиновых кислот нужны ферментные белки, а для создания белков – нуклеиновые кислоты. Иначе говоря, нужно объяснить, как в ходе предбиологического отбора объединились способности к самовоспроизведению полинуклеотидов с каталитической активностью полипептидов в условиях пространственно-временного разобщения начальных и конечных продуктов реакции ¹¹.

В дальнейшем предбиологический  отбор коацерватов, по-видимому, происходил в нескольких направлениях. Во-первых, в направлении выработки способности  накапливать белковоподобные полимеры, ответственные за ускорение химических реакций. Во-вторых, в системе коацерватов происходил и отбор самих нуклеиновых кислот по наиболее удачному сочетанию последовательности нуклеотидов. На этом пути формировались гены. Самовоспроизводящиеся системы со сложившейся стабильной последовательностью нуклеотидов в нуклеиновой кислоте уже могут быть названы живыми.

Знание условий, которые  способствовали возникновению жизни  на Земле, позволяют понять, почему в наше время невозможно появление живых существ из неорганических систем. В нашу эпоху отсутствуют условия для синтеза и усложнения органических веществ: простые соединения, которые могли бы где-то образоваться, сразу же были бы использованы гетеротрофами. Возникшая на Земле жизнь преобразовала те условия, которые сделали возможным ее появление. Теперь живые существа появляются только вследствие размножения.

Главные события в  истории возникновения жизни  могут быть представлены следующим  образом:

3,8 млрд. лет назад солевой  состав океана был близок к нынешнему, состав атмосферы был близок к современному, но в них не было О2;

2,3 млрд. лет назад начался  фотосинтез с выделением О2;