Эволюция жизни

 

Как же эволюционировала жизнь? Каким образом эти элементы объединялись, чтобы сформировать живое вещество? На сегодняшний день достаточно информации, чтобы сделать обоснованные предположения.

Теория происхождения жизни детально была разработана в 1924 году в книге академика биохимика А. И. Опарина «Происхождение жизни». Согласно этой теории возникновение жизни — результат длительной эволюции на Земле — сначала химической, из первичной атмогидросферы, затем биохимической. Эта концепция получила наибольшее признание в научной среде.

Все известное живое на Земле включает широкий спектр форм от высокоорганизованных животных, простейших одноклеточных организмов, до одиночных белковых молекул, представленных различными вирусами. Последние существуют то в инертной кристаллической форме, то в подвижном состоянии. Сама белковая молекула состоит из более простых частей ─ соединений углерода, водорода, азота, кислорода, связанных между собой определенным образом и образующих так называемые аминокислоты.

Американские ученые С. Л. Миллер и Г. К. Юри в 1953 году, на основе теории Опарина, первыми поставили опыты с искусственной атмосферой. Ученым удалось образовать аминокислоты из соединений, которые предположительно входили в состав первичной атмогидросферы Земли — газообразной смеси водорода (H₂), метана (СН₄), аммиака (NH₄) и водяного пара (H₂O). Данный состав газов полностью соответствует газовому составу вулканических газов. Эту смесь подвергали сильным электрическим разрядам, а затем конденсировали. В полученной жидкости были обнаружены аминокислоты, другие углеводы и многие компоненты живой материи. Одним из главных факторов было отсутствие свободного кислорода, при наличии которого идут интенсивные окислительно-восстановительные процессы и наличие достаточного количества энергии.

Такие опыты были повторены биохимиками Японии и СССР. Опыты убедительно доказали, что аминокислоты легко могли синтезироваться в первичной атмосфере Земли. Разные вариации исходных газов и источников энергии убедили, что среди продуктов синтеза обнаруживаются многие природные аминокислоты, в том числе лейцин, изолейцин, серин, треонин, аспаргин, лизин, фенилаланин и тирозин. Среди синтезированных аминокислот встречались и такие, которые сейчас не входят в состав живых форм.

Источником энергии для синтеза мономеров, вероятнее всего, были электрические разряды. В данное время на Земле каждую секунду происходят более тысячи рязрядов молний. В первичной гидроатмосфере, клубящимся паром окутывавшей еще не вполне остывшую Землю, этих электрических разрядов должно было быть во много раз больше, чем сейчас: от одного до ста миллионов в секунду. Эта энергия высвобождалась непосредственно над поверхностью первородного океана, и продукты синтеза могли растворяться в воде.

 

Образование органических соединений из газов первичной гидроатмосферы

 

После того, как углеродистые соединения образовали «первичный бульон», могли уже организовываться биополимеры — белки и нуклеиновые кислоты, обладающие свойством самовоспроизводства себе подобных. Необходимая концентрация веществ для образования биополимеров могла возникнуть в результате осаждения органических соединений на минеральных частицах, например, на глине или гидроокиси железа, образующих ил прогреваемого Солнцем мелководья. Кроме того, органические вещества могли образовать на поверхности океана тонкую пленку, которую ветер и волны гнали к берегу, где она собиралась в толстые слои.

Концентрация вещества могла приводить к образованию коацерватных капель, т.е. отгороженных от окружающего вещества образований с диффузным обменом веществ с окружающей средой. Аналоги коацерватных капель можно получить в лабораториях. Они создавались, например, Опариным из различных полимеров. Коацерватные капли произвольно распадаются на дочерние соединения. Они могут существовать до определенной массы. Повышение массы и способность катализировать какие-либо простые реакции приводит к возрастанию прочности барьера, отделяющего коацерватные суспензии или микросферы, типичные для полимеров.

 

Подробная схема синтеза ДНК из гидроатмосферы и формирования организма

 

Химическими элементами, которые образуют группу органических веществ являются, как упоминалось выше, главным образом углерод, водород, кислород и азот. То есть химические элементы первичного состава гидроатмосферы. Эти четыре элемента слагают около 99% органики. Вместе с ним в состав органических веществ в небольших количествах входят сера, фосфор и совсем в незначительных количествах свыше двух десятков элементов. Предполагается что эти несколько десятков химических элементов вошли в состав белков-полимеров как катализаторы биохимических реакций при собирании органических веществ на мелководных берегах первичного океана. Эти составные элементы образуют огромное количество соединений.

В количественном отношении суммарный состав химических элементов биоты близок к составу морской воды. В биоте не содержится не одного элемента, который был бы свойствен исключительно живому веществу, ни одного, который не встречался бы в неорганической материи. Химическое строение вещества биоты отличается от химического сложения гидросферы, атмосферы и верхней части литосферы только по способу отбора и организации основных компонентов. Распространенные сейчас 20 аминокислот, являющиеся основными кирпичиками белков, были отобраны в процессе эволюции мономеров за сотни миллионов лет. Иные коды, определявшие наборы других аминокислот и соответствующие им эволюционные линии, со временем исчезли.

Какой момент считать началом жизни зависит от того, как определить жизнь. Видимо, жизнь можно определить как "способность воспроизводить себя, изменяться и воспроизводить эти изменения". Эти способности обеспечивают передачу энергии и передачу информации. Молекулы органического вещества имеют большие размеры и более сложны, чем неорганические, и поэтому обладают большей способностью к изменениям. Постоянные изменения и воспроизводство этих изменений являлись и являются отличительным свойством жизни на Земле. Неорганическое же вещество не способно воспроизводить себя.

Все окружающее нас разнообразие жизни сложено из небольшого набора блоков-мономеров (низкомолекулярных соединений): Оно состоит из 20 аминокислот (из которых построены все белки), 5 азотистых соединений (составные части нуклеиновых кислот), глюкозы ─ источника энергии, и трех жиров — структурного материала, идущего на построение в клетке мембран и запасающего энергию. Всего 29 мономеров описывают биохимическое строение любого живого организма.

Ископаемые остатки, найденные в геологических породах, показывают, что 3.3 млрд. лет назад в море уже существовали примитивные растения — сине-зеленые водоросли. Возраст становления базальтовой литосферы Земли определяют в 4.5 млрд. лет. Тогда же началось формирование бескислородной, первоначально единой, атмогидросферы с указанным выше составом.

То есть до появления одноклеточных безъядерных организмов имелся промежуток более, чем в 1 млрд. лет. Формирующийся первичный океан представлял собой ту превосходную среду для реакций органических соединений и возможной химической эволюции жизни. Тем более, без наличия свободного кислорода и отсутствия озонового слоя, ультрафиолетовое излучение Солнца свободно достигало поверхности суши и океана. Это облучение и разряды молний обеспечивали количество энергии, необходимой для образования аминокислот из первичной атмогидросферы, которые создаваясь вновь и вновь превращали первичный океан в "бульон" из аминокислот. Аминокислоты, сталкиваясь и соединяясь, формировали белковые молекулы, которые в свою очередь создавали более сложные углеводороды. Предполагается, что именно таким образом химическая эволюция перешла в биохимическую.

Большинство ученых считают, что причиной образования воспроизводящих себя белковых молекул, могли быть "случайные" столкновения аминокислот в первичном океане. Однако, слово "случайный" не должно наводить на мысль, что здесь кроется смысл "маловероятный" или "почти невероятный". Когда речь идет о первичной атмосфере, имеющей оптимальный для образования аминокислот химический состав, то мы имеем дело уже со статистической закономерностью. Каждое случайное событие, каким маловероятным бы оно не представлялось, становится все более вероятным по мере увеличения числа проб. Если вероятность события составляет 1 из 1000 в одном эксперименте, то при 1000000 экспериментах вероятность того, что оно произойдет хотя бы однажды, будет равной 9999. Учитывая, что весь первичный океан представлял собой "бульон" из аминокислот, такая вероятность уже не могла считаться "случайностью", это почти уверенность. Если же рассмотреть промежуток времени более миллиарда лет, с возникновения Земли до появления палеонтологически зафиксированных остатков организмов, то воображение человека зайдет в тупик при попытке вычислить такое огромное число вероятностей в этом "бульоне" аминокислот.

Белковые молекулы, усложняясь и объединяясь в бескислородной среде, сформировали первые живые безъядерные одноклеточные организмы, называемые прокариотами. Однако самым главным было появление процесса называемого ферментация. В том виде, как мы наблюдаем ее, ферментация осуществляется сейчас примитивными организмами, живущими в бескислородной среде. При ферментации углеводороды расщепляются и перестраиваются. При этом высвобождается небольшое количество энергии в виде тепла, а одним из образующихся продуктов является углекислый газ.

Этот продукт — углекислый газ, был ли он результатом ферментации или других химических реакций, - имел большое значение для дальнейшей эволюции жизни. Добавление большого объема углекислого газа, к тому небольшому количеству, которое могло содержаться в первичном океане, должно было придавать среде обитания организмов новые свойства. Оно создавало возможность для появления процесса фотосинтеза. Свойственный многим растениям, этот процесс создает различные органические соединения из воды, углекислого газа и энергии солнечных лучей, поглощаемых растениями.

 

 

Ферментация →;	Фотосинтез →;	Дыхание
Органические соединения + энергия = оргcоединения + СО2	Углекислый газ + H2O + энергия = органические соединения + О2	О2+ органические соединения = энергия +Н2О + СО2
Организмы в бескислородной среде	Растения	Животные

 

Рисунок 3. Теоретическая последовательность процессов, которая могла бы привести к образованию основных групп ныне живущих организмов.

 

Однако, первые фотосинтезирующие организмы, видимо, напоминали и сейчас живущих на Земле сине-зеленых водорослей, которые в принципе не водоросли, а скорее бактерии. Сейчас их роль на Земле невелика, тогда же Землю населяли они и их ближайшие родственники в огромных количествах. Постепенно выделяя в окружающую среду свободный кислород, в процессе фотосинтеза, они отравили себе среду обитания и подготовили среду для появления других организмов. В этих новых условиях, в присутствии свободного кислорода становится возможным процесс дыхания (рис 3.).

Таким образом, возникновение биоты начинается с химических процессов, которые позднее приобретают характер биохимических. Последовательность этих процессов в схематизированном виде представляется следующим образом: аминокислоты → белковые молекулы → более сложные углеводы → ферментация → фотосинтез → дыхание.

Дыхание — процесс обратный фотосинтезу - не только производит углекислый газ, необходимый для растений, но также высвобождает большое количество энергии приблизительно в тридцать пять раз больше чем ферментация.