Происхождение жизни

Современной наукой возраст Земли оценивается в 4, 5—4, 6 млрд. лет. Появление на планете первых водоемов, с которыми связывают зарождение жизни, произошло примерно 3, 8—4 млрд. лет. Около 3, 5 млрд. лет на Земле зародилась жизнь.

Существуют две главные гипотезы появ­ления жизни на Земле.

Согласно гипотезе панспермии, жизнь занесена из космоса в виде спор микроорганизмов или путем намеренного «заселения» планеты разумными пришельцами из других миров. Прямых свидетельств в пользу космического происхождения жизни нет. Космос, однако, наряду с вулканами мог быть источником низ­комолекулярных органических соединений, раствор которых послужил средой для развития жизни.

Согласно второй гипотезе, жизнь возникла на Земле, когда сложи­лась благоприятная совокупность физических и химических условий, сделавших возможным абиогенное образование органических веществ из неорганических.

В середине 19 века Луи Пастер окончательно доказал невозможность самозарождения жизни в теперешних условиях. Однако в начале 20 века биохимики А.И. Опарин и Дж. Холдейн предположили, что в условиях, имевших место на планете несколько миллиардов лет назад, образование живого вещества было возможно. К таким условиям они относили: наличие атмосферы восстановитель­ного типа (наличие в атмосфере кислорода), воды, источников энергии в виде ультрафиолетового и космического излучения, теплоты остывающей земной коры, вулка­нической деятельности, атмосферных электрических явлений, радио­активного распада, приемлемой температуры.

Главные этапы на пути возникновения и развития жизни:

1) образование атмосферы из газов, которые могли бы служить «сырьем» для синтеза органических веществ (метана, оксида и диоксида углерода, аммиака, сероводорода, цианистых сое­динений), и паров воды;

2) абиогенное (т.е. происходящем без участия организмов) образовании простых органических веществ, в том числе мономеров биологических полимеров — аминокислот, сахаров, азоти­стых оснований, АТФ и др.;

3) полимеризация мономеров в биологические полимеры, прежде всего белки (полипеп­тиды) и нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды);

4) образования предбиологических форм сложного химического состава — протобионтов, имеющих некоторые свойства живых существ;

5) возникновение простейших живых форм, имеющих всю совокупность главных свойств жизни, - примитивных клеток;

6) биологическая эволюция возник­ших живых существ.

Возможность абиогенного образования органических веществ, вклю­чая мономеры биологических полимеров, в условиях, бывших на Земле около 4 млрд. лет назад, доказана экспериментально. В лабораторных условиях при пропускании электрических разрядов через различные газовые смеси, напоминающие примитивную атмосферу планеты, а также при использовании других источников энергии были получены среди продуктов реакций аминокислоты (аланин, глицин, аспарагиновую кислоту), янтарную, уксусную, молочную кислоты, мочевину, азотистые основания (аденин, гуанин), АДФ и АТФ.

Низкомолекуляр­ные органические соединения накапливались в водах первичного океана в виде первичного бульона или же адсорбировались на поверх­ности глинистых отложений. Это повышало концентрацию данных веществ, создавая тем самым лучшие условия для полимеризации.

Возможность полимеризации низкомолекулярных соединений с обра­зованием полипептидов и полинуклеотидов (определяющая следующий этап на пути возникновения жизни) непосредственно в первичном бульоне вызывает сомнения по термодинамическим соображениям. Водная среда благоприятствует реакции деполимеризации. Ученые предполагают, что образование полипептидов и полинуклеотидов мог­ло происходить в пленке из низкомолекулярных органических соеди­нений в безводной среде, например на склонах вулканических конусов, покрытых остывающей лавой. Это предположение подтверж­дено в опытах. Выдерживание в течение определенного времени при 130°С сухой смеси аминокислот в сосудах из кусков лавы приводило к образованию полипептидов.

Образующиеся биополимеры смывались лив­невыми потоками в первичный бульон, что защищало их от разруша­ющего действия УФ-излучения, которое из-за отсутствия в атмосфере планеты озонового слоя было очень жестким.

По мере повышения концентрации полипептидов, полинуклеоти­дов и других органических соединений в первичном бульоне сложились условия для следующего этапа — самопроизвольного возникновения предбиологических форм сложного химического состава - протобионтов. Предположительно они могли быть представлены коацерватами (А. И. Опарин) или микросферами (С. Фокс). Это коллоидные капли с уплотненным поверхностным слоем, имитирующим мембрану, содержимое которых составляли один или несколько видов биополи­меров. Возможность образования в коллоидных растворах структур типа коацерватов или микросфер доказана экспериментально.

При определенных условиях коацерваты проявляют некоторые общие свойства живых форм. Они способны до известной степени избирательно поглощать вещества из окружающего раствора. Часть продуктов химических реакций, проходящих в коацерватах с участием поглощаемых веществ, выделяется ими обратно в среду. Происходит процесс, напоминающий обмен веществ. Накапливая вещества, коа­церваты увеличивают свой объем (рост). По достижении определенных размеров они распадаются на части, сохраняя при этом некоторые черты исходной химической организации (размножение). Поскольку устойчивость коацерватов различного химического состава различна, среди них происходит отбор.

Перечисленные выше свойства ученые усматривают у протобионтов. Протобионты представляются как обособленные от окружающей среды, открытые макромолекулярные системы, возникавшие в пер­вичном бульоне и способные к примитивным формам роста, размно­жения, обмена веществ и предбиологическому химическому отбору.

Предбиологическая эволюция протобионтов осуществлялась в трех главных направлениях.

1. Совершенствование каталитической (ферментной) функции белков и специфичности биологического катализа.

2. Важную роль в эволюции протобионтов принадлежит приобретению полинуклеотидами способ­ности к самовоспроизведению, что сделало возможным передачу инфор­мации от поколения к поколению, т.е. сохранение ее во времени. В основе этой способности лежит матричный синтез. Механизм матрич­ного синтеза был использован также для переноса информации с полинуклеотидов на полипептиды.

3. Третье направление эво­люции протобионтов состояло в возникновении мембран. Отграничение от окружающей среды мембраной с избирательной проницаемостью превращает протобионт в устойчивый набор макромолекул, стабили­зирует важные параметры обмена веществ на основе специфического катализа.

Разделение функций хранения и пространственно-временной пе­редачи информации, с одной стороны (нуклеиновые кислоты), и использование ее для организации специфических структуры и обмена веществ — с другой (белки); появление молекулярного механизма матричного синтеза биополимеров; освоение эффективных систем энергообеспечения жизнедеятельности (АТФ); образование типичной биологической мембраны — все это привело к возникновению живых существ, которые поначалу были представлены примитивными клет­ками.

С момента появления клеток предбиологический химический от­бор уступил место биологическому отбору. Дальнейшее развитие жизни шло согласно законам биологической эволюции. Переломным моментом на этом пути было возникновение клеток эукариотического типа, многоклеточных организмов, человека.