Представления о возникновении жизни на Земле

В настоящее время основная совокупность характе­ристик, позволяющих относить тот или иной объект к живому организму, выглядит следующим образом:

- общность биогенных химических элементов (Н, С, О, Р, N, S), из которых построены биоорганические соединения (белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты);

- способность поглощать из внешней среды необходимых для жизнедея­тельности веществ, извлекать из них энергию и выделять ненужные организму про­дукты распада;

- способность к самовоспроизведению (наследственность);

- изменчивость;

- способность к саморегуляции (поддержание постоянства хи­мического состава);

- клеточное строение;

- раздражимость;

- системность и дискретность (живые системы состоят из от­дельных, дискретных, взаимодействующих элементов);

- иерархичность структурной организации: менее сложные уровни являются необходимой основой для возникновения более сложных уровней организации живой материи.

Откуда же взялась жизнь на третьей планете Солнечной системы?

Вначале своей деятельности В.И.Вер­надский придерживался гипотезы о вечном существовании жизни в космосе и о появлении жизни на нашей планете в результате заноса микроорганизмов или спор из космического пространства. Абиогенез[2] ему казался невозможным из-за спе­цифики живого вещества. Однако, в начале XX века А.И. Опариным[3] было сделано предположение о возможности самопроизвольного образования зон повышенной концентрации в растворах высокомолекулярных соединений, которые относительно отделены от внешней среды, но могут поддерживать обмен с ней. Данная гипотеза возродила интерес ученых к теории самозарождения жизни. Согласно его теории процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделён на три этапа:

- возникновение органических веществ;

- возникновение белков;

- возникновение белковых тел.

После появления гипотезы о закономерном возникновении жизни в условиях восстановительной среды Вернадский признал возможность абиогенного происхожде­ния жизни и посчитал правильным говорить о возникновении биосферы: "Вне биосферы мы жизнь научно не знаем и проявлений ее научно не видим... Говоря о появлении на нашей планете жизни, мы в действи­тельности говорим только об образовании на ней биосферы".

В настоящее время с помощью радиоизотопного анализа установлено, что наиболее древние породы земной коры возникли около 3,8 млрд. лет назад, а сам процесс формирования земной коры длился около 1 млрд. лет. По мере остывания планеты тяжелые элементы перемещались к ее центру, а более легкие оставались на поверхности. Считается что в этот период атмосфера Земли состояла из свободного водорода и его соединений (Н₂O, метана (СН₄), аммиака (HN₃), синильной кислоты (HCN)) и, следовательно, имела восстановительный характер. Поскольку соединения, яв­ляющиеся восстановителями, легко вступают в химические реак­ции, отдавая водород, и при этом сами окисляются, то именно это обстоятельство послужило важной предпосылкой возникновения органических молекул небиологическим путем. Кроме того, компоненты атмосферы постоянно подвергались воздействию различных видов энергии: коротковолновому излучению Солнца, грозовым разрядам, действию высокой температуры и т.п.Это делало возможнымвзаимодействие химически простых компонен­тов атмосферы, в результате чего происходило их изменение и усложнение. В свою очередь, это могло привести к возникновению молекул сахаров, аминокислот, азотистых основа­ний, органических кислот и других простых органических соеди­нений.

Источник энергии	Энергетическая экспозиция, кДж/м^2 • год
Полная солнечная радиация	10 900 000
Ультрафиолетовое излучение 300—250 нм	119 000
То же, 250—200 нм	22 000
«200—150 нм
«< 150 нм
Электрические разряды
коронные
молнии
Естественная радиоактивность до глубины в 1 км 4 • 10^9 лет
назад
Ударные волны и волны давления в атмосфере
Солнечный ветер
Вулканическое тепло
Космические лучи	0,06

Важное свойство образующихся органических молекул — спо­собность объединяться, создавая капельки более концентриро­ванного раствора, чем окружающая среда. Такие концентрирован­ные капельки — коацерваты — способны поглощать из окружаю­щего раствора различные вещества, увеличиваясь при этом в раз­мерах. Это уже отдаленно похоже на процессы питания и роста организмов. Опытным путем установлено, что коацерватные кап-

Источник энергии	Энергетическая экспозиция, кДж/м^2 • год
Полная солнечная радиация	10 900 000
Ультрафиолетовое излучение 300—250 нм	119 000
То же, 250—200 нм	22 000
«200—150 нм
«< 150 нм
Электрические разряды
коронные
молнии
Естественная радиоактивность до глубины в 1 км 4 • 10^9 лет
назад
Ударные волны и волны давления в атмосфере
Солнечный ветер
Вулканическое тепло
Космические лучи	0,06

Важное свойство образующихся органических молекул — спо­собность объединяться, создавая капельки более концентриро­ванного раствора, чем окружающая среда. Такие концентрирован­ные капельки — коацерваты — способны поглощать из окружаю­щего раствора различные вещества, увеличиваясь при этом в раз­мерах. Это уже отдаленно похоже на процессы питания и роста организмов. Опытным путем установлено, что коацерватные кап-

Источник энергии	Энергетическая экспозиция, кДж/м^2 • год
Полная солнечная радиация	10 900 000
Ультрафиолетовое излучение 300—250 нм	119 000
То же, 250—200 нм	22 000
«200—150 нм
«< 150 нм
Электрические разряды
коронные
молнии
Естественная радиоактивность до глубины в 1 км 4 • 10^9 лет
назад
Ударные волны и волны давления в атмосфере
Солнечный ветер
Вулканическое тепло
Космические лучи	0,06

Важное свойство образующихся органических молекул — спо­собность объединяться, создавая капельки более концентриро­ванного раствора, чем окружающая среда. Такие концентрирован­ные капельки — коацерваты — способны поглощать из окружаю­щего раствора различные вещества, увеличиваясь при этом в раз­мерах. Это уже отдаленно похоже на процессы питания и роста организмов. Опытным путем установлено, что коацерватные кап-

Важным свойством образующихся органических молекул явилась спо­собность объединяться, создавая капельки более концентриро­ванного, чем окружающая среда, раствора. Такие концентрирован­ные капельки — коацерваты — способны были поглощать из окружаю­щего раствора различные вещества и при этом увеличиваться в раз­мерах. Опытным путем было установлено, что коацерватные капли могут взаимодействовать между собой. Более того, вещества капель могли вступать в ре­акции, причем некоторые продукты реакций могли выделятся из коацервата во внешнюю среду. Это отдаленно напоминает биологический процесс обмена веществ. Научные исследования последних лет показывают, что зарождение жизни наиболее вероятно в минеральной воде. В 2011 г. Тадаси Сугаварой в горячей воде была создана протоклетка. Исследования Мари-Лор Пон показали, что жизнь могла зародиться и в грязевых вулканах.

Первые живые организмы, вероятнее всего, в качестве источника энергии (пищи) могли использовать органические соединения, находящиеся в растворенном виде. Поскольку в этот период в атмо­сфере Земли свободного кислорода не было, организмы должны были иметь анаэробный (бескислородный) тип обмена. Эффективность данного типа обмена невелика. Энергию, необходимую для синтеза, первые живые организмы в большинстве своем получали за счет химических реакций окисления и восстановления, т.е. за счет хемосин­теза. Появление все большего количества анаэробных организмов рано или поздно должно было привести к истощению вод и значительному снижению количества готовых органических веществ, которые можно было бы использовать в пищу. В этих условиях в преимущественном поло­жении должны были оказаться организмы, которые сумели приобрести способность использо­вать энергию солнечного света для синтеза органических веществ из неорга­нических, а именно из диоксида углерода СО₂ и молекулярного азота N₂ атмосферы. Но СО₂ и N₂ в атмосфере находятся в инерт­ном окисленном состоянии, а для того, чтобы они были способны участвовать в химических реакциях, их надо восстановить, то есть передать им электроны от других соединений. Считается, что дальнейшим, особенно крупным усовершенствованием жиз­ни стал кислородный фотосинтез:

CO₂ + H₂O + hn ® (CH₂)O + O₂ + 470[кДж/моль]

В результате появился свободный кислород, сначала в воде, а потом и в атмосфере. Это привело в конечном итоге к качественному изменению атмосферы планеты, а так же к качественным переменам условий на планете в целом, и в частности к одному из важнейших условий существования жизни - появлению озонового слоя, который защищает все живое от жесткого ультрафиолетового излучения.

Считается, что постепенное увеличение количества кислорода в воде, его диффузия в атмосферу начались около 2 млрд.лет назад. Это сдела­ло возможным быстрое развитие клеток - структурных единиц всех живых организмов вне зависимости от уровня их организа­ции. Появление клетки на планете Земля привело к эволюции и формированию более крупных и сложных живых организмов: растений, животных, че­ловека. Основные черты возникновения и начальные этапы развития живых организмов на планете показаны на рис. 4.1.

Выше была рассмотрена «классическая» модель воз­никновения жизни на Земле и она не является безусловной, а тем более безальтернативной. В частности, согласно современной теории космических ката­строф, Земле пришлось пережить ряд столкновений с астероида­ми, при которых жизнь на ней уничтожалась в результате возник­новения высоких температур (до 300 °С), несовместимых с биоло­гической точки зрения с процессом жизнедеятельности. Однако при этих условиях могут выжить некоторые термостойкие микро­организмы (например, бактерии в глубине грунта). После таких космических ударов Земля постепенно остывала и начинался но­вый эволюционный этап развития жизни, причем совершенно не обязательно по рассмотренной выше схеме.

Рис.4.1. Схема возникновения живых организмов на Земле

Дата добавления: 2014-10-31