Основні етапи неорганічної еволюції

 

Сучасна наука вважає, що появі перших організмів і еволюції органічного світу передувала еволюція неорганічна. Вона включала планетарну (геологічну) стадію розвитку Землі і хімічну еволюцію – синтез абіогенним шляхом органічних сполук. Тривала неорганічна еволюція близько 1 млрд років.

Планетарна (геологічна) еволюція. На думку вчених, Земля й інші планети Сонячної системи утворилися близько 5 млрд років тому з газопилової хмари первинного космічного речовини. Воно складалося з атомів водню і гелію. У ході термоядерних реакцій з ядер гелію виникли ядра вуглецю. Потім, в результаті приєднання до вуглецю інших частинок, наприклад гелію, виникли атоми кисню, азоту, фосфору і т. Д. При обертанні хмара первинного космічного речовини ущільнювалося і розігрівалося. В умовах високої температури виникали сполуки вуглецю з металами – карбіди, які при охолодженні Землі могли вступати в реакцію з водою, наприклад:

А1 (С3 + 12Н20 -> 4А1 (ОН) 3 + ЗСН4

Не виключена можливість безпосереднього освіти вуглеводнів з простих неорганічних речовин:

С + 2Н2 – »СН4

Так сформувалася первинна атмосфера, до складу якої входили метан (СН4), аміак (NH3), чадний газ (СО), водень (Н2) і пари води (Н20). Кисню (02), присутнього в сучасній атмосфері, тоді не було, т. Е. Атмосфера Землі мала не окисний, як зараз, а відновлювальний характер. Незначна кількість кисню, яке могло утворитися в результаті фотолізу води, негайно витрачалося на окислення елементів, що утворили земну кору. Пізніше за рахунок конденсації водяної пари сформувалася гідросфера Землі, її первинний океан. Хімічна еволюція. Абіогенний синтез органічних речовин. Наступна стадія неорганічної еволюції – хімічна – почалася, по всій видимості, з абіогенного синтезу органічних сполук з неорганічних. Він міг здійснюватися в відновної атмосфері первісної Землі за рахунок електричної та світлової енергії. Це припущення має експериментальне підтвердження.

Так, в 1912 р французький учений Жак Леб вперше отримав амінокислоту гліцин із суміші нагрітих газів і парів води, через які пропускав електричні розряди. У 1924 р вітчизняний біохімік Олександр Іванович Опарін у роботі «Походження життя» висунув коацерватной гіпотезу, згідно якої початкові етапи хімічної еволюції були пов’язані з формуванням в первинному океані Землі білкових структур – протобионтов.

Перші білки могли створюватися з неорганічних сполук в відновної атмосфері первісної Землі за рахунок енергії потужних електричних розрядів. У 1929 р англійський учений Джон Холдейн розвинув ідею Опаріна і сформулював гіпотезу первинного бульйону. За цією гіпотезою первинні органічні речовини (амінокислоти, цукру та ін.) Синтезувалися з неорганічних за рахунок енер

гии сонячної радіації (головним чином ультрафіолетового випромінювання), що потрапляла на Землю (шар озону, що затримує більшу її частину, утворився значно пізніше). Згідно з іншою гіпотезою, висунутою в 1929 р американським генетиком Германом Меллером і названої генетичної ,, першими органічними речовинами, синтезованими на Землі абіогенним шляхом, могли бути нуклеїнові кислоти – матрична основа синтезу білків.

У 1953 р американські вчені Стенлі Міллер і Гарольд Юрі отримали експериментальне підтвердження висунутих раніше гіпотез. Вони сконструювали установку, в якій були відтворені умови первісної Землі (рис. 82). У реакційній колбі через суміш газів (СН ,, NH.j, H.,) і пари води при температурі 80 ° С пропускали електричний розряд в 60 ТОВ В, еквівалентний кількості енергії, отриманої нашою планетою за 50 млн років. Через тиждень в конденсаті, що утворився при охолодженні, були виявлені органічні сполуки: молочна кислота, сечовина та амінокислоти. У 1957 р наші співвітчизники Т. Є. Павловська і А. Г. Паси якийсь повторили досвід Міллера і Юрі, замінивши в газовій суміші водень на оксид вуглецю (СО) і використавши замість електричних розрядів ультрафіолетове випромінювання. У результаті вони також отримали в своїй установці амінокислоти.

Таким чином, можна вважати експериментально доведеним, що абіогенний синтез органічних речовин з неорганічних за рахунок різних видів енергії в умовах відновної атмосфери первісної Землі можливий. Чи йде він на Землі зараз? Чи не можуть такі сполуки утворитися, коли газоподібні продукти виверження вулканів і лава вступають в реакцію з водою? Якщо це і відбувається, то ці речовини миттєво опиняються поглиненої у вигляді їжі різними мікроорганізмами або відразу окислюються киснем атмосфери.

Освіта полімерів з мономерів. Другим етапом хімічної еволюції стало формування з мономерів, синтезованих на первісній Землі абіогенним шляхом, біологічних полімерів. Про механізми подібного роду процесів вчені досі сперечаються і не можуть прийти до єдиної думки. Ясно одне – для утворення полімерів теж була необхідна енергія, а води потрібно не занадто багато, інакше могла піти зворотна реакція – розщеплення полімерів на мономери.

На думку А. І. Опаріна, полімеризація відбувалася за рахунок коацервації (від лат. Coaceruatus – накопичений, зібраний) – мимовільного поділу водного розчину мономерів на фази з різною концентрацією. Білкові структури (протобіонти) завдяки своїй амфотерности притягували до себе молекули води, утворюючи в результаті цього колоїдні гідрофільні комплекси з єдиною водною оболонкою. Ці комплекси могли відокремлюватися від решти маси води і зливатися один з одним, утворюючи коа-церватние краплі (рис. 83). Речовини в цих краплях вступали в подальші хімічні реакції, що вело до їх ускладнення – хімічної еволюції. Вона досягалася відбором таких коацер-ватних крапель, які ефективніше витягували речовини з навколишнього середовища і були стійкими.

У 1955 р американський учений Сідней Фокс експериментально отримав стійкі поліпептидні структури при нагріванні сухої суміші амінокислот з наступним охолодженням і розчиненням у воді. Він назвав їх про-теіноідамі, т. Е. Белковоподобних речовинами, які потім утворювали кулясті структури – мікросфери (рис. 84). На первісній Землі такі протеіноіди, по всій видимості, з’являлися в невеликих калюжах, що залишилися після відпливу чи дощу, коли в них випаровувалася вся вода. Деякі протеіноіди були здатні каталізувати певні хімічні реакції, можливо, саме це забезпечило їх подальшу хімічну еволюцію. Існує точка зору, згідно якої каталізаторами перетворення про-теіноідов в більш складні полімерні структури – мікросфери – послужили мінеральні глини – глинозем.

Зараз наукою доведено, що першими полімерами були поліпептиди, а нуклеїнові кислоти. У 1982 р американський біохімік Томас Чек відкрив особливого виду молекули РНК, що володіють ферментативною активністю – рибозими. Це молекули, яким притаманні всі функції живої речовини: структурна, каталітична і генетична. Коацервати і мікросфери були «живими», так як не мали генетичною інформацією, що забезпечує їх відтворення і точне копіювання. Першими носіями генетичної інформації стали молекули РНК, які вступали у взаємодію з протеіноіди. У ході цієї взаємодії протеіноіди притягували до себе певні нуклеотиди, які утворювали молекули РНК. Таким чином, в ході хімічної еволюції зберігалася інформація про структуру найбільш стійких молекул протеіноідов і тільки потім виникли складніші білково-ліпідні мембранні комплекси. Пізніше ця генетична функція перейшла до ДНК. Отже, згідно з сучасними науковими уявленнями хімічна еволюція полімерів йшла в напрямку

РНК -> білок;

РНК – »ДНК -> РНК білок.

Формування мембран і виникнення пробіонтов. Третім, завершальним, етапом хімічної еволюції стало формування мембран і виникнення на Землі перших одноклітинних організмів.

На кордоні трьох середовищ (повітря, води і суші) плівка, що складається з молекул білків і ліпідів, могла прогинатися під впливом вітру, що призвело до її хвилювання і утворення за рахунок електростатичного притягання од-номембранних бульбашок (рис. 85, 1).

Бульбашки піднімалися вітром і, падаючи на поверхню плівки, покривалися за рахунок гідрофобної взаємодії між неполярними хвостами молекул ліпідів другий мембраною (рис. 85, 2). Виниклі таким шляхом мембрани протягом мільйонів років удосконалювалися, набуваючи виборчу проникність, стійкість, що і призвело до виникнення перших організмів – пробіонтов. Вони представляли собою, по всій видимості, молекули РНК, оточені білково-ліпідними мембранами. Пробіонтов можна вважати попередниками перших справжніх клітин, проте в них не відбувалися складні процеси обміну речовин і точне генетичне копіювання. Перехід від пробіонтов до перших клітинам, що володіє цими найважливішими ознаками живого, означав появу справжнього життя і знаменував собою початок органічної (біологічної) еволюції.

Еволюція: планетарна (геологічна), неорганічна (хімічна); первинна атмосфера; гіпотези: коацерватная, первинного бульйону, генетична; коацервація; коацерватние краплі; протеіноіди; мікросфери; рибозими; пробіонти.

Посилання на основну публікацію