Концепции естественного происхождения жизни на Земле

Тысячи путей ведут к заблуждению, к истине — только один.

Ж-Ж. Руссо

У концепции появления жизни на Земле в историческом прошлом две точки зрения. Согласно одной происхождение жизни — результат случайного образования единичной «живой молекулы», в строении которой был заложен весь план дальнейшего развития живого. Согласно другой точке зрения происхождение жизни — результат закономерной эволюции материи.

Последняя концепция представляется наиболее научной и рассмотрим ее детально. Широко распространенной и экспериментально обоснованно является модель, получившая за рубежом название гипотезы Опарина —В Холдейна — по имени ученых, выдвинувших сходные гипотезы, скоре всего, независимо друг от друга. Общность развиваемых учеными взглядо состоит в принятии за исходные тезисы утверждения о том, что все необходимые для возникновения жизни биологически значимые органические соединения могут образоваться в абиогенных условиях, т.е. без участия живого лишь на основе физико-химических закономерностей превращения веществ Большинство современных специалистов также убеждено, что возникновение жизни в условиях первичной Земли есть результат естественной эволюции материи. Для изучения научной проблемы происхождения жизни необходимы сведения о физико-химических условиях на ранней Земле. Таки данные связаны как с геологической эволюцией планеты, так и с эволюцие химических элементов Солнечной системы и солнечной активностью.

Из большого числа химических элементов для жизни необходимы только 16, а водород, углерод, кислород и азот составляют почти 99% живой материи В вещественном плане для становления жизни нужен прежде всего углерод Жизнь на Земле основана на этом элементе, хотя в принципе можно предположить существование жизни и на кремниевой основе. Углерод обладае уникальными свойствами, и наша жизнь называется углеродной, или органической. Четырехваленгность углерода приводит к огромному числу его соединений, которые изучает органическая химия. Углерод образует сложны молекулы, представляющие собой кольца и цепи, обеспечивающие разнообразие органических соединений. Аминокислоты — важный для жизни клас органических соединений. В живых организмах они используются для синтеза белков, растения могут синтезировать их из простых веществ, а в животные организмы часть их должна поступать с пищей, поэтому их называю незаменимыми. Из четырех нуклеотидов построены и другие крупные молекулы — нуклеиновые кислоты, тоже входящие в состав живой клетки. Кислород, водород и азот наряду с углеродом можно отнести к основам живого Клетка состоит на 70% из кислорода, 17% — углерода, 10% — водорода 3% — азота. Они принадлежат к наиболее устойчивым и распространенны на Земле химическим элементам, легко соединяются между собой, вступаю в реакции и обладают малым атомным весом. Их простые соединения легк растворяются в воде. Органические вещества присутствовали на Земле пр ее образовании. Они могли синтезироваться и на поверхности пылинок.

Современная теория происхождения жизни основана на идее о том, что биологические молекулы могли возникнуть в далеком геологическо прошлом неорганическим путем. Для возникновения жизни нужны определенные температуры, влажность, давление, уровень радиации, определенная направленность развития Вселенной и время. Земля подходит дл зарождения жизни. Ее возраст около 5 млрд лет. Температура поверхност в начальный период была 4000—8000 °С, и но мере остывания Земли углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовали земную кору. Первичная атмосфера Земли на протяжении 2 млрд лет состояла, вероятно, главным образом из водяных паров, Ы2, С02, с небольшой примесь других газов (ЫН3, СН4, Н2 3) при почти полном отсутствии 02 (практически весь кислород, содержащийся в атмосфере в настоящее время, являетс продуктом фотосинтеза). Отсутствие в первоначальной атмосфере кислорода было необходимым условием возникновения жизни, так как органические вещества легче создаются в восстановительной среде. В отсутстви кислорода, который мог бы их разрушить, а также живых организмов, которые использовали бы их в качестве пищи, абиогенно образовавшиеся органические вещества накапливались в Мировом океане, возникшем по мер охлаждения поверхности Земли вследствие конденсации водяных паро и выпадения осадков. В 1953 г. Миллер экспериментально установил, чт при подводе энергии (например, в форме электрических зарядов, ультрафиолетового излучения, радиоактивного излучения и тепла) к газово смеси, содержащей углерод, водород, кислород и азот, в восстановительно среде образуются все важные продукты для построения биовеществ: аминокислот, гидроокисей, сахаров, пуриновых и пиримидиновых оснований С инициацией химических процессов на планете Земля около 4—4,5 млр лет началась фаза химической эволюции. Основным результатом перво стадии химической эволюции стала интеграция простых атомов Н, С, Ы Р,... в относительно сложные органические молекулы, а молекул — во многие еще более сложные ценные молекулы. Важную роль в этих превращениях играли такие химические элементарные процессы, как гомогенны и гетерогенный катализ, автокатализ, бистабильность и колебания.

Следующим шагом было образование более крупных полимеров из малых органических мономеров, опять же без участия живых организмов. Видимо, на первичной Земле образование полимеров со случайно последовательностью аминокислот или нуклеотидов могло происходит при испарении воды в водоемах, оставшихся после отлива. Если полиме образовался, он способен влиять на образование других полимеров. Сложную химическую эволюцию обычно выражают следующей обобщенно схемой: атомы —> простые соединения —» простые биоорганические соединения —> макромолекулы —» организованные системы.

Следующим этапом после химической эволюции элементов являлась биохимическая эволюция. Жизнь как особая форма существования материи характеризуется двумя отличительными свойствами — самовос-производством и обменом веществ с окружающей средой. На свойства саморепродукции и обмена веществ строятся все современные гипотез возникновения жизни. Наиболее широко признанные гипотезы следующе биохимической эволюции жизни — это коацерватная и генетическая.

Коацерватная гипотеза. В 1924 г. советский академик А. И. Опарин впервые сформулировал основные положения концепции предбиологиче-ской эволюции и затем, опираясь на эксперименты Бунгенберга де Йонга развил эти положения в коацерватной гипотезе происхождения жизн в книге «Происхождение жизни». Основу гипотезы составляет утверждение, что начальные этапы биогенеза были связаны с формированием белковых структур. Первые белковые структуры (протобионты, по терминологии Опарина) появились в период, когда молекулы белков отграничивались от окружающей среды мембраной. Эти структуры могли возникнуть из первичного «бульона» благодаря коацервации — самопроизвольному разделению водного раствора полимеров на фазы с различной их концентрацией Процесс коацервации приводил к образованию микроскопических капелек с высокой концентрацией полимеров. Часть этих капелек поглощал из среды низкомолекулярные соединения: аминокислоты, глюкозу, примитивные катализаторы. Взаимодействие молекулярного субстрата и катализаторов уже означало возникновение простейшего метаболизма внутри про-тобионтов. Схема образования коацерватной капли следующая: молекул белка в растворе —» сближение молекул белка с потерей воды —» образовани коацерватной капли. А. И. Опарин предложил следующий перечень «свойст живого»: метаболизм, способность к самовоспроизведению, мутабилъностъ.

Обладавшие метаболизмом капельки извлекали из окружающей среды новые соединения и увеличивались в объеме. Когда коацерваты достигал размера, максимально допустимого в данных физических условиях, он распадались на более мелкие капельки, например, под действием волн, ка это происходит при встряхивании сосуда с эмульсией масла в воде. Мелкие капельки вновь продолжали расти и затем образовывать новые поколения коацерватов. Постепенное усложнение протобионтов осуществлялос отбором таких коацерватных капель, которые обладали преимущество в лучшем использовании вещества и энергии среды. Отбор как основна причина совершенствования коацерватов до первичных живых существ —В центральное положение в гипотезе Опарина.

Генетическая гипотеза. У английского биолога Д. Холдейна «живыми или полуживыми объектами» назывались большие молекулы, способны к созданию своих копий. Живые тела, существующие на Земле, представляю собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот. Веществ обрело, тем самым, важнейшее свойство самовоспроизведения и вступил в новую фазу эволюции — фазу самоорганизации через самовоспроизведения. Здесь большое значение имело образование молекулярного языка биополимеров. Элементарная биологическая система — это химический язык. О имеет алфавит, состоящий из различных видов нуклеотидов и аминокислот и позволяет выстраивать последовательности символов различной длины —В единицы мутации, кодирования и рекомбинации. Возникали все более сложные репликативные системы, конкурировавшие друг с другом.

При этом вначале возникли нуклеиновые кислоты как матричная основа синтеза белков. Впервые эту идею выдвинул в 1929 г. Меллер В конце XX в. было открыто интересное явление. Существует вирусны белок-фермент с научным названием «(ДЗ-репликаза». Его функция —В строить молекулу РНК из отдельных нуклеотидов. (Нуклеотиды — эт мономеры ДНК или РНК, играющие роль своеобразных букв при запис наследственной информации.) В их последовательности закодирован аминокислотный состав белков. Чтобы лучше понять суть работы фермента представьте себе робота, который не умеет читать, но может, глядя на текст, составлять рядом точно такой же из отдельных кубиков — букв. А если нс будет никакого исходного текста, что робот составит из букв? Решил проверить. Поместили вирусный фермент в жидкий раствор, где не был сложных молекул РНК, а присутствовали только отдельные нуклеотиды И произошло чудо. Робот — фермент без каких-либо подсказок начал выдавать длинные осмысленные тексты, т.е. строить большие молекулы РНК на основе которых можно синтезировать белки. Лауреат Нобелевско премии по химии Манфред Айген снова выдвинул гипотезу о самопроизвольном зарождении жизни, которая была поддержана многими учеными Сценарий эволюции органического мира стал выглядеть так. Сначала по действием электрических разрядов молний в первичной земной атмосфер появились молекулы отдельных нуклеотидов и аминокислот, из которы синтезировались различные белки. В том числе случайным образом могл образоваться и Ор-репликаза. А она уже из простейших нуклеотидов стал создавать сложные молекулы РНК. Способность нуклеиновых кисло служить матрицами при образовании комплементарных цепей (например, синтез иРНК на ДНК) — наиболее убедительный аргумент в польз представлений о ведущем значении в процессе биогенеза наследственног аппарата и, следовательно, в пользу генетической гипотезы происхождени жизни. Гены наследственности располагаются в ДНК и передача информации идет в направлении ДНК — РНК — белок. Изменение пути передачи информации РНК — белок — ДНК произошло в результате эволюци РНК. Поэтому можно сделать следующие выводы:

  • 1. Детальный анализ механизмов воспроизведения нуклеиновых кислот и белков не дает никаких оснований для гипотезы о существовани каких-то сил или взаимодействий, присущих только явлениям жизни.
  • 2. Каждая отдельная система, возникающая в результате мутаци и отбора, непредсказуема в отношении своей структуры; тем не менее неизбежным результатом является процесс эволюции — это закон. Появлени мутации с селективным преимуществом соответствует неустойчивости Поэтому оптимизирующий процесс эволюции в принципе неизбежен, хот выбор конкретного пути не детерминирован.
  • 3. Наконец, оказывается, что процесс возникновения жизни связа с появлением ряда свойств, причем все эти свойства поддаются однозначному физическому обоснованию. Предварительные условия для появлени этих свойств, по-видимому, выполнялись шаг за шагом, так что «возникновение жизни», как и эволюцию видов, нельзя представить в виде однократного акта творения.

Возникновение протоклеток положило начало биологической эволюции вещества. После того как углеродистые соединения образовали «первичны бульон», могли уже организоваться биополимеры — белки и нуклеиновы кислоты, обладающие свойством производства себе подобных. Механиз естественного отбора действовал на самых ранних стадиях зарождени органических веществ — из множества образующихся веществ сохранялис устойчивые к дальнейшему усложнению. Как показывает синергетика, дл возникновения жизни энергия имела не меньшее значение, чем вещество Некоторые начальные стадии эволюции были связаны с возникновением механизмов, способных поглощать и трансформировать химическую энергию, как бы выталкивая систему в сильно неравновесные условия.

Таким образом, начало жизни на Земле положило появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков. Однако до сих пор остаются неясными детали перехода от сложных органических веществ к простым живым организмам. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему. В соответствии с ней на границе между коарцеватами — сгустками органических веществ — могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны обеспечивающей коацерватам стабильность. В результате включения в коа-церват молекулы, способной к самовоспроизведению, могла возникнуть примитивная клетка, способная к росту. Следующим шагом в организации живог должно было стать образование мембран, которые отграничивали смеси органических веществ от окружающей среды. С их появлением и зарождаетс клетка — «единица жизни», главное структурное отличие живого от неживого.

Основные этапы биогенеза. Процесс биогенеза включал три основных этапа: возникновение органических веществ, появление сложных полимеро (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов), образование первичных живы организмов. Клетка — основная элементарная единица жизни, способна к размножению, в ней протекают все главные обменные процессы (биосинтез энергетический обмен и др.). Поэтому возникновение клеточной организаци означало появление подлинной жизни и начало биологической эволюции.

Все основные процессы, определяющие поведение живого организма, протекают в клетках. Тысячи химических реакций происходят одновременно для того, чтобы клетка могла получить необходимые питательны вещества, синтезировать специальные биомолскулы и удалить отходы Огромное значение для биологических процессов в клетке имеют ферменты Синтез белка осуществляется в клетке. Величина клеток — от микрометр до более одного метра. Клетки могут быть дифференцированными (нервными, мышечными и т.д.). Большинство из них обладают способность восстанавливаться, но некоторые, например нервные, — нет или почти нет.

Рассмотрим подробнее особенности эволюции на клеточном уровне организации жизни (табл. 13.1). Наибольшее различие существуе не между растениями, грибами и животными, а между организмами, обладающими ядром (эукариоты) и не имеющими его (прокариоты). Последние представлены низшими организмами — бактериями и сине-зеленым водорослями (цианобактерии, или цианеи), все остальные организмы —В эукариоты, которые сходны между собой по внутриктеточной организации генетике, биохимии и метаболизму. Различие между прокариотами и эукариотами заключается еще и в том, что первые могут жить как в бескислородной (облигатные анаэробы), так и в среде с разным содержанием кислорода (факультативные анаэробы и аэробы), в то время как для эукариотов за немногим исключением, обязательно присутствие кислорода. Эти различия имели существенное значение для понимания ранних стадий биологической эволюции. Сравнение прокариотов и эукариотов по потребност в кислороде приводит к заключению, что прокариоты возникли в период когда содержание кислорода в среде изменилось. Ко времени же появления эукариотов концентрация кислорода была высокой и относительно постоянной. Первые фотосинтезирующие организмы появились около 3 млрд лет назад, а значительное количество данных об ископаемых эукариота позволяет сказать, что их возраст составляет около 1,5 млрд лет. Можн предположить, что первая микрофлора и первая микрофауна появилис 3,3—3,8 млрд лет назад.

Таблица 13.1

Общая геохронологическая и стратиграфическая шкала Земли

Эра

Период

Изотопные датировки, млн лет

Архей

Болес 3500

Зарождение жизни, появление прокариотов. Господство бактерий и сине-зеленых водорослей. Появление зеленых водорослей

Протерозой

Карслий

2500-100

Развитие низших растений

Рифей

1650-50

Появление эукариотов, многоклеточных растений и животных

Венд

650 (690)—20

Появление кишечнополостных, членистоногих, иглокожих

Палеозой

Кембрий

570-20

Развитие беспозвоночных, появление высших растений

Ордовик

490-15

Появление первых позвоночных — бесчелюстных

Силур

435-10

Выход растений и беспозвоночных на сушу

Девон

400-10

Господство рыб, возникновение насекомых и амфибий, появление лесов из папоротнико и плаунов

Карбон

345-10

Распространение лесов, расцвет амфибий, появление летающих насекомых, возникновение рептилий

Пермь

280-10

Появление голосемянных, распространение рептилий

Мезозой

Триас

230-10

Распространение голосемянных, появление млекопитающих

Юра

190 (195)—5

Господство рептилий на суше, в воде и воздухе. Возникновение покрытосемянных растений и птиц

Мел

136-5

Развитие цветковых растений, расцвет насекомых, вымирание многих рептилий

Кайнозой

Палеоген

66-3

Расцвет млекопитающих и птиц

Неоген

25-2

Возникновение современных семейств млекопитающих, формирование современной флоры

Четвер

тичный

1,8

Развитие рода Homo

Первыми микроорганизмами могли быть бактерии или примитивные водоросли. В дальнейшем важную роль начали играть трофические связи Основанием возникшей трофической цепи служили автотрофные растения, которые производили молекулярные структурные единицы из вод и молекул газа под действием солнечного света. Они медленно изменял состав атмосферы. Из неассимилирующихся организмов шанс на выживание имели лишь паразиты на протофлоре. Так, появился принцип гетеро-трофии, под которым понимают любой организм (травоядный, плотоядный или всеядный), который питается другими организмами.

Возникновение содержащей кислород атмосферы, начавшееся 2 млрд лет назад, глубоко изменило условия существование жизни. Для живы существ той далекой эпохи кислород был высокотоксичным газом, которы в результате процесса окисления мог привести к разрушению органически молекул. Мутация и отбор помогли преодолеть и эту смертельную угрозу:В возникли живые организмы, снабженные сначала примитивными органами а впоследствии жабрами и легкими, получили развитие высокоэффективные механизмы обмена веществ для атмосферы, содержащей кислород.

Собственно биологическая эволюция начинается с возникновения клеточной организации и в дальнейшем идет по пути совершенствования строения и функций клетки, образования многоклеточной организации разделения живого на царства растений, животных, грибов с последующе их дифференциацией на виды.

Основные положения естественно-научной теории происхождения жизни следующие:

  • 1. Органические вещества сформировались из неорганических иод действием физических факторов среды.
  • 2. Органические вещества взаимодействовали, образуя все более сложные вещества, в результате чего возникли ферменты и самовоспроизводя-щиеся системы — свободные гены.
  • 3. Свободные гены соединялись с другими высокомолекулярными органическими веществами.
  • 4. Вокруг них стали образовываться белково-липидные мембраны.
  • 5. Возникли клетки.
  • 6. Из автотрофных организмов развились гетеротрофные.

Вопрос о закономерном или случайном характере возникновения живых существ является самым трудным для принятия различных концепци происхождения жизни. В гипотезе Опарина жизнь рассматривается ка закономерный результат эволюции материи во Вселенной. Альтернативные гипотезы происхождения, отрицающие это положение, постулирую либо предопределенный (американский биофизик Кеньон), либо случайный характер возникновения первичных организмов.

Если группа атомов в присутствии источника энергии образует некую стабильную структуру, то она имеет тенденцию к сохранению структуры Самая ранняя форма конкуренции состояла в отборе стабильных фор и отбрасывании нестабильных. В этом нет ничего таинственного.

Одна из главных причин кризиса в решении проблемы происхождения жизни — отсутствие четкой границы между тремя понятиями: жизнь, живое и часть живого. Причем очень трудно одновременно изучать структуру и функцию: когда изучается структура (физико-химическими методами), то исчезает функция, и наоборот.

Таким образом, можно считать что возраст самых древних организмов -клеток без ядер, но имеющих нити ДНК, похожих на бактерии и сине-зеленые водоросли, составляет около 3—3,5 млрд лет. Около 2 млрд лет тому назад в клетке появляется ядро. Одноклеточные организмы с ядро называются простейшими. Их 25—30 тыс. видов. Самые простые из них -амебы, инфузории с ресничками. Примерно 1 млрд лет тому назад появились первые многоклеточные организмы и произошел выбор растительног и животного образа жизни.

Таким образом, эмпирические факты и теоретические концепции науки достаточно убедительно показывают, что современному уровню научног знания соответствует абиогенный характер возникновения и развити жизни. В рамках этой концепции иредбиологическая эволюция имеет тр фазы: первая — фаза элементарных полимеров, когда происходит абиогенный синтез простейших органических соединений; вторая фаза — полимеризация, ведущая к образованию предшественников нынешних живы клеток; третья — биохимическая фаза, в которой совершается возникновение генетического кода, биосинтез закодированных белков и перехо к биологической эволюции.

Основные этапы развития жизни на Земле представлены в табл. 13.2.

Таблица 13.2

Основные этапы развития жизни на Земле

Реальная шкала времени

Относительная шкала времени

Этапы развития жизни

3,5—4 млрд л.н.

1 январь

Процессы, приведшие к образованию органических молекул

1 февраль

Свидетельства существования первых бактерий

1 март

Бактериальные колонии

3 млрд л.н.

1 апрель

Нитчатые фотосинтезирующие водоросли

1 мая

Рост разнообразия бактерий

2,5 млрд л.н.

1 июня

Высокое разнообразие бактерий

2 млрд л.н.

1 июля

Развитие сложноорганизованных клеток

1,5 млрд л.н.

1 сентября

Первые клетки, характерные для живых и высших растений

1 млрд л.н.

1 октября

Рост разнообразия жизненных форм в морях, появление всех типов беспозвоночных

500 млн л.н.

1 ноября

Начало освоения суши, первые челюстноротые рыбы, развитие позвоночных

300 млн л.н.

1 декабря

Развитие млекопитающих, динозавры, амфибии

Реальная шкала времени

Относительная шкала времени

Этапы развития жизни

100 млн л.н.

Господство млекопитающих

11 млн л. н.

31 декабря 8 ч

Начало эволюции человека

5 млн л. н.

16 ч

Ископаемые останки людей

23 ч 59 мин 58 с

Начало промышленной революции

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >