Виникнення життя на Землі

Життя виникла на нашій планеті близько 3,5 млрд. років тому. Цьому передувала дуже тривала абіогенних (небіологічних) молекулярна еволюція. Сучасна наука повністю спростувала всі міфи про раптове « чудесне» появу життя. Неспроможними виявилися і теорії про заносі життя з космосу. Зараз вже можна уявити ті умови, за яких на Землі стало реальним виникнення життя. Найбільш широке визнання отримала гіпотеза походження життя А. Й. Опаріна – Д. Б. С. Холдейна (1924 – 1927). Відповідно до цієї гіпотези, нині доповненої, складний процес виникнення життя відбувався наступним чином.

На розпеченій (до 1000 ° С) планеті, якою була Земля, всі елементи знаходилися в атомарному стані і при охолодженні поступово перераспределились відповідно щільності: найважчі – всередину, найбільш легкі (азот, водень, вуглець) – на поверхню. Так утворилася первинна атмосфера, що складалася з газів. У її складі не було вільного кисню, так як він з’єднувався з металами та іншими здатними до окислення елементами. Вільний водень і його газоподібні сполуки з азотом, вуглецем і киснем (водяні пари) створили відновлювальний характер середовища, що послужило однією з передумов утворення молекул органічних речовин небіологічним шляхом. Подальше охолодження призвело до конденсації водяної пари; на поверхню Землі почали скидатися гарячі дощі, утворюючи величезні водні простори. У воді були розчинені аміак (МН3), діоксид вуглецю (СO2), метан (СН4), синильна кислота (НСМ). В атмосфері під дією ультрафіолетових променів Сонця і грозових розрядів відбувалося утворення більш складних органічних речовин, що з дощами також потрапляли у водойми. У їх числі – органічні кислоти (оцтова, мурашина, молочна та ін), аденозінфосфатние з’єднання (АМФ, АДФ, АТФ) і ін З частими виверженнями вулканів, у тому числі підводних, на поверхню виносилися (і виносяться зараз) такі складні сполуки, як різні амінокислоти (їх абіогенний синтез здійснюється при температурі близько 1000 ° С), азотисті основи, аміноцукри і інші не органічні речовини. Карбіду (з’єднання металів з вуглецем), також вивергався у великій кількості, в гарячій воді утворювали вуглеводні. Відновлювальний характер атмосфери Землі, активна вулканічна діяльність, грозові розряди, потужне ультрафіолетове випромінювання, що не затримуємо озоновим екраном, висока температура – ось ті умови, які забезпечили абіогенне виникнення органічних сполук і поклали початок хімічної еволюції, що привів згодом до виникнення живих організмів. В даний час експериментально підтвердження абіогенний синтез навіть таких речовин, як білки. Теплі води первинного океану були сприятливим середовищем для хімічних реакцій між розчиненими тут органічними і неорганічними речовинами, низькомолекулярні органічні речовини перетворювалися в складніші високомолекулярні. Протягом мільйонів років виникали і руйнувалися незліченні варіанти органічних сполук. Йшло поступове накопичення їх у водах первинного океану.

Подальший етап у розвитку органічних речовин – утворення коацерватних крапель. У водному розчині органічні молекули завжди оточені поляризованої водною оболонкою. Товщина її залежить від величини заряду молекули, концентрації солей навколишнього розчину, температури та інших факторів. Молекули, оточені такими оболонками, можуть об’єднуватися, утворюючи коацервати – многомолекулярние групи з єдиною оболонкою, які вже не змішуються з навколишнім розчином. Коацерватние краплі являють собою високомолекулярні освіти, в тому числі білкові і полінуклеотидні, обособившиеся з розчину у вигляді колоїдних частинок. Дослідження А. І. Опаріна показали, що коацерватние краплі здатні адсорбувати (поглинати) з навколишнього розчину окремі речовини і збільшуватися в розмірах. У коацерватах здійснювалися найпростіші реакції синтезу і розпаду речовин, продукти якого виділялися назовні. Ці процеси можна порівняти з процесами харчування, зростання, виділення. Таким чином, адсорбційна здатність, притаманна коацерватам, стала, мабуть, початковим етапом обміну речовин у них. Виник один з найістотніших ознак життя – обмін речовин.

У коацерватних краплях, що містили полінуклеотидні ланцюжка, при адсорбції мононуклеотидів відбувався неферментативним синтез комплементарних, полінуклеотідов, тобто матричний синтез, такий характерний для живих систем. Формувалася здатність до самовідтворення.
Зростання коацерватних крапель за рахунок поглинання речовин ззовні приводив до диспропорції між масою краплі і силами зчеплення між її молекулами. Крапля розпадалася на кілька дрібніших. Цей процес став необхідною передумовою для виникнення розмноження. Проте в сучасному розумінні розмноження – це процес, за допомогою якого організми відтворюють собі подібних. При розпаданні ж коацервата « дочірні» краплі могли виявитися дуже різними за хімічним складом. Багато хто з них розпадалися далі і гинули, деякі знову росли. У складі коацерватних крапель виникали все нові і нові комбінації речовин.

Найбільші шанси на збереження мали краплі, що містили білок, здатний за своєю хімічною природою до ферментативної активності, і полінуклеотиди. Білки – ферменти брали участь не тільки в обміні речовин, а й у редуплікації нуклеїнових кислот. Збереження в нуклеїнових кислотах, здатних до редуплікації, інформації про « вдалих» комбінаціях амінокислот забезпечувало стабільність складу білків при розпаді крапель. Таким чином, з’явився процес самовідтворення – необхідна властивість живого. Завершився останній етап хімічної еволюції матерії, виникли живі системи. Розвиток живих систем йшло в результаті біологічної еволюції. При редуплікації полінуклеотідних молекул в деяких випадках відбувалися «помилки» – мутації: нова молекула не цілком точно копіювала вихідну. Надалі ця змінена молекула копіювалася. Частота мутацій різко підвищувалася під впливом випромінювань, особливо іонізуючих. З моменту виникнення найпростіші організми потрапляли під дію природного відбору, який і забезпечував їх пристосованість до умов існування. Випадково придбані в результаті спадкових змін корисні ознаки закріплювалися відбором. Мабуть, саме так з первинних коацерватов сформувалися клітини: утворилися зовнішня мембрана, що володіє властивістю виборчої проникності, цитоплазма, ядро; йшла еволюція біохімічних процесів.

Первинні організми використовували для живлення готові органічні речовини, тобто були анаеробними гетеротрофами. В умовах збільшення їх чисельності при зменшенні запасів органічних речовин в первинному океані біля деяких організмів з’явилася і закріпилася здатність до самостійного синтезу органічних речовин з неорганічних за рахунок енергії найпростіших реакцій окислення і відновлення. Виник хемосинтез. Хемосінтезірующіе бактерії були першими автотрофними організмами. Первинні мікроорганізми поступово скорочували вихідні запаси водню, аміаку, метану, сірководню. Так, сірчані бактерії окисляли сірководень вулканічного походження, а водневі – молекулярний атмосферне водень.

Наступний важливий етап біологічної еволюції – створення пігментних систем для використання світлової енергії – виникнення фотосинтезу. Першими організмами, які використовують світло як джерело енергії для синтезу органічних речовин, були бактерії (типу пурпурних і зелених серобактерий) і цианеи (синезелениє). Останні в якості джерела водню використовували воду, і в атмосферу почав виділятися вільний кисень, що стало передумовою для виникнення в ході еволюції аеробного дихання, яке майже в 20 разів ефективніше безкисневого анаеробного окислення. Аеробне окислення (найважливіший крок в еволюції) поступово витісняє неекономічне анаеробне.
За геологічними даними, вже 2,7 млрд. років тому в атмосфері в невеликій кількості мався вільний кисень. У міру накопичення кисню у верхніх шарах атмосфери частина його перетворювалася на озон, здатний інтенсивно поглинати ультрафіолетове і іонізуюче випромінювання Сонця, – сформувався « озоновий екран». Життя, яка спочатку була можлива тільки в океані, під захистом води, вийшла на сушу і поширилася по всій поверхні Землі.

Життя на Землі виникло абіогенним шляхом. Чи можливий зараз небиологический шлях утворення живих організмів, тобто самозародження життя? Ні. По-перше, на планеті відсутні умови (температура, склад атмосфери і т. д.), необхідні для абіогенного синтезу органічних речовин. По-друге, цьому перешкоджає велика кількість гетеротрофних живих істот, готових негайно вжити в їжу будь-які органічні сполуки. У сучасних умовах нашої планети будь організми, навіть найпримітивніші, виникають тільки біологічним шляхом, тобто в процесі розмноження собі подібних.

Посилання на основну публікацію