Современные взгляды на происхождение жизни

Для того чтобы знать пути зарождения жизни, необходимо сначала изучить признаки и свойства живых организмов. Знание химического состава, строения и различных процессов, протекающих в организме, дает возможность понять происхождение жизни. Для этого познакомимся с особенностями образования первых неорганических веществ в космическом пространстве и появления планетарной системы.

Атмосфера древней Земли. По последним данным ученых, исследователей космоса, небесные тела образовались 4,5—5 млрд. лет назад. На первых этапах формирования Земли в ее состав входили оксиды, карбонаты, карбиды металлов и газы, извергавшиеся из глубин вулканов. В результате уплотнения земной коры и действия гравитационных сил стало выделяться большое количество тепла. На повышение температуры Земли оказали влияние распад радиоактивных соединений и ультрафиолетовые излучения Солнца. В это время вода на Земле существовала в виде пара. В верхних слоях воздуха водяные пары собирались в облака, которые выпадали на поверхность горячих камней в виде ливневых дождей, затем вновь, испаряясь, поднимались в атмосферу. На Земле сверкали молнии, гремели раскаты грома. Это продолжалось долго. Постепенно поверхностные слои Земли стали остывать. Из-за ливневых дождей образовались небольшие водоемы. Потоки раскаленной лавы, которые текли с вулканов, и зола попадали в первичные водоемы и непрерывно изменяли условия окружающей среды. Такие непрерывные изменения окружающей среды способствовали возникновению реакций образования органических соединений.
В атмосфере Земли еще до возникновения жизни содержались метан, водород, аммиак и вода (1). В результате химической реакции соединения молекул сахарозы образовались крахмал и клетчатка, а из аминокислот — белки (2,3). Из сахарозы и соединений азота образовались саморегулирующие молекулы ДНК (4) (рис. 9).

Рис. 9. Приблизительно 3,8 млрд. лет назад путем химических реакций образовались первые сложные соединения

В составе первичной атмосферы Земли не было свободного кислорода. Кислород встречался в виде соединений железа, алюминия, кремния и участвовал в образовании различных минералов земной коры. Кроме того, кислород присутствовал в составе воды и некоторых газов (например, углекислого). Соединения водорода с другими элементами образовывали ядовитые газы на поверхности Земли. Ультрафиолетовые излучения Солнца явились одним из необходимых источников энергии для образования органических соединений. К широко распространенным в атмосфере Земли неорганическим соединениям относятся метан, аммиак и другие газы (рис. 10).

Рис. 10. Начальный этап возникновения жизни на Земле. Образование сложных органических соединений в первичном океане

Условия среды на древней Земле

Образование органических соединений абиогенным путем. Знание условий окружающей среды на начальных этапах развития Земли имело огромное значение для науки. Особое место в этой области занимают работы русского ученого А. И. Опарина (1894—1980). В 1924 г. он высказал предположение о возможности прохождения химической эволюции в начальные этапы развития Земли. Теория А. И. Опарина основывается на постепенном длительном усложнении химических соединений.
Американские ученые С. Миллер и Г. Юри в 1953 г. согласно теории А. И. Опарина поставили опыты. Пропуская электрический разряд через смесь метана, аммиака и воды, они получили различные органические соединения (мочевина, молочная кислота, различные аминокислоты). Позднее такие опыты повторили многие ученые. Полученные результаты опытов доказали правильность гипотезы А. И. Опарина.
Благодаря выводам названных выше опытов, было доказано, что в результате химической эволюции первобытной Земли образовались биологические мономеры.

Образование и эволюция биополимеров. Совокупность и состав органических соединений, образованных в различных водных пространствах первичной Земли, были разного уровня. Образование таких соединений абиогенным путем доказано экспериментально.
Американский ученый С. Фокс в 1957 г. высказал мнение о том, что аминокислоты могут образовывать, соединяясь между собой, пептидные связи без участия воды. Он заметил, что при нагревании, а затем охлаждении сухих смесей аминокислот их белковоподобные молекулы образуют связи. С. Фокс пришел к выводу, что на месте бывших водных пространств под действием тепла потоков лавы и солнечных излучений произошли самостоятельные соединения аминокислот, которые дали начало первичным полипептидам.

Роль ДНК и РНК в эволюции жизни. Главное отличие нуклеиновых кислот от белков — способность удваиваться и воспроизводить точные копии первоначальных молекул. В 1982 г. американский ученый Томас Чек открыл ферментативную (каталитическую) активность молекул РНК. В итоге он заключил, что молекулы РНК — самые первые полимеры на Земле. Молекулы ДНК по сравнению с РНК более устойчивы в процессах распада в слабощелочных водных растворах. А среда с такими растворами была в водах первичной Земли. В настоящее время это условие сохранено только в составе клетки. Молекулы ДНК и белки взаимосвязаны. Например, белки защищают молекулы ДНК от вредного воздействия ультрафиолетовых лучей. Мы не можем назвать белки и молекулы ДНК живыми организмами, хотя им присущи некоторые признаки живых тел, потому что у них полностью не сформированы биологические мембраны.

Эволюция и образование биологических мембран. Параллельное существование белков и нуклеиновых кислот в пространстве, возможно, открыло путь для возникновения живых организмов. Это могло произойти только при наличии биологических мембран. Благодаря биологическим мембранам образуется связь между окружающей средой и белками, нуклеиновыми кислотами. Только через биологические мембраны идет процесс обмена веществ и энергии. На протяжении миллионов лет первичные биологические мембраны, постепенно усложняясь, присоединяли в состав различные белковые молекулы. Таким образом, путем постепенного усложнения появились первые живые организмы (протобионты). У протобионтов постепенно формировались системы саморегуляции, самовоспроизведения. Первые живые организмы приспособились к жизни в бескислородной среде. Все это соответствует мнению, высказанному А. И. Опариным. Гипотеза А. И. Опарина в науке называется коацерватной теорией. Эту теорию в 1929 г. поддержал английский ученый Д. Холдейн. Многомолекулярные комплексы с тонкой водной оболочкой снаружи называются коацерватами или коацерватной каплей. Некоторые белки в составе коацерватов выполняли роль ферментов, а нуклеиновые кислоты приобрели возможность передачи информации по наследству (рис. 11).

Рис. 11. Образование коацерватов - многомолекулярных комплексов с водной оболочкой

Постепенно у нуклеиновых кислот сформировалась способность к удвоению. Связь коацерватной капли с окружающей средой привела к осуществлению самого первого простого обмена веществ и энергии на Земле.
Таким образом, основные положения теории возникновения жизни по А. И. Опарину таковы:

1. в результате непосредственного влияния факторов окружающей среды из неорганических веществ образовались органические;
2. образованные органические вещества оказали влияние на образование сложных органических соединений (ферментов) и свободных самовоспроизводящих генов;
3. образованные свободные гены соединились с другими высокомолекулярными органическими веществами;
4. у высокомолекулярных веществ снаружи постепенно появились белково-липидные мембраны;
5. в результате названных процессов появились клетки.

Современный взгляд на возникновение жизни на Земле называется
теорией биопоэза (органические соединения образуются из живых организмов). В настоящее время она носит название биохимической эволюционной теории появления жизни на Земле. Эту теорию предложил в 1947 г. английский ученый Д. Бернал. Он различал три этапа биогенеза. Первый этап—это возникновение биологических мономеров абиогенным путем. Второй этап — образование биологических полимеров. Третий этап — возникновение мембранных структур и первых организмов (протобионтов). Группировка сложных органических соединений в составе коацерватов и их активное взаимодействие между собой создают условия для образования саморегулирующих простейших гетеротрофных организмов.
В процессе возникновения жизни произошли сложные эволюционные изменения — образование органических веществ из неорганических соединений. Сначала появились хемосинтезирующие, затем постепенно - фотосинтезирующие организмы. В появлении большего количества свободного кислорода в атмосфере Земли огромную роль сыграли фотосинтезирующие организмы.
Химическая эволюция и эволюция первых организмов (протобионтов) на Земле продлилась до 1—1,5 млрд. лет (рис. 12).

Рис. 12. Схема перехода химической эволюции в биологическую

Первичная атмосфера. Биологическая мембрана. Коацерват. Протобионт. Теория биопоэза.

1. Небесные тела, в том числе земной шар, появились 4,5—5 млрд. лет назад.
2. В период возникновения Земли было достаточно много водорода и его соединений, а свободного кислорода не было.
3. На начальном этапе развития Земли единственным источником энергии были ультрафиолетовые излучения Солнца.
4. А. И. Опарин высказал мнение, что в начальный период на Земле происходит только химическая эволюция.
5. На Земле впервые появились биологические мономеры, из которых постепенно образовались белки и нуклеиновые кислоты (РНК, ДНК).
6. Первые организмы, появившиеся на Земле, — протобионты.
7. Многомолекулярные комплексы, окруженные тонкой водной оболочкой, называются коацерватами.
1. Что такое коацерват?
2. В чем смысл теории А. И. Опарина?
3. Какие ядовитые газы были в первичной атмосфере?
1. Дайте характеристику состава первичной атмосферы.
2. Какую теорию об образовании аминокислот на поверхности Земли представил С. Фокс?
3. Какую роль выполняют нуклеиновые кислоты в эволюции жизни?

1. В чем сущность опытов С. Миллера и Г. Юри?
2. На чем основывался А. И. Опарин в своих гипотезах?
3. Назовите основные этапы появления жизни.

* Проверь знания!
Вопросы для повторения. Глава 1. Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле

1. Уровень организации жизни, на котором решаются глобальные проблемы.
2. Индивидуальное развитие отдельных особей организма.
3. Устойчивость внутренней среды организма.
4. Теория возникновения жизни путем химической эволюции неорганических веществ.
5. Историческое развитие организмов.
6. Уровень организации жизни, состоящий из клеток и межклеточных веществ.
7. Свойство живых организмов воспроизведения себе подобных.
8. Уровень жизни, характеризующийся единством сообщества живых организмов и окружающей среды.
9. Уровень жизни, характеризующийся наличием нуклеиновых кислот и других соединений.
10. Свойство изменения жизнедеятельности живых организмов соответственно годовым циклам.
11. Взгляд о занесении жизни из других планет.
12. Уровень организации жизни, представленный структурной и функциональной единицей всех живых организмов на Земле.
13. Свойство тесной связи живых организмов с окружающей средой.
14. Теория, связывающая возникновение жизни с действием "жизненных сил".
15. Свойство живых организмов обеспечивать передачу признаков своему потомству.
16. Ученый, доказавший с помощью простого опыта неправильность теории о самозарождении жизни.
17. Русский ученый, предложивший теорию возникновения жизни абиогенным путем.
18. Газ, необходимый для жизни, отсутствовавший в составе первичной атмосферы.
19. Ученый, высказавший мнение об образовании пептидной связи путем соединения между собой аминокислот без участия воды.
20. Самые первые живые организмы с биологической мембраной.
21. Высокомолекулярные комплексы, окруженные тонкой водной оболочкой.
22. Ученый, который впервые дал определение понятию жизнь.
23. Свойство живых организмов реагировать на различные влияния факторов окружающей среды.
24. Свойство изменения признаков наследственности живых организмов под влиянием различных факторов окружающей среды.
25. Уровень организации жизни, при котором заметны первые простые эволюционные изменения.