Историческое землеведение. Палеогеография

 

Происхождение жизни на Земле

 

 

Жизнь появилась на нашей планете тогда, когда сложные органические полимеры — макромолекулярные соединения или пробионты приобрели способность к саморазвитию в виде обмена веществ и реакций на его нарушения, и самовоспроизведению (репликации).

 

Материальная биохимическая основа живых тел представлена белками, нуклеиновыми кислотами, углеводами, жирами и несколькими соединениями фосфатов. Основными химическими элементами для построения жизни служат углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор; в состав живых тел входят также в минимальном количестве натрий, калий, магний, хлор, железо, кобальт, марганец и др.

 

В качестве живого вещества в первую очередь рассматриваются белки, представляющие собой группу высокомолекулярных органических соединений; они состоят из 20 видов аминокислот, соединенных друг с другом вполипептидную цепь. Белки осуществляют регулирование биохимических реакций, с помощью которых и происходит обмен веществ в организмах. При этом белки, как и другие мак- ромолекулярные соединения, имеют открытую пространственную структуру, что обеспечивает их рост и прочие изменения.

 

Реакции живой органической структуры протекают быстро и активно, поэтому для поддержания жизни необходим непрерывный синтез белка. Он осуществляется с помощью нуклеиновых кислот Д Н К (дезоксирибонуклеиновая кислота) и Р Н К (рибонуклеиновая кислота), выполняющих три исключительно важных функции: самовоспроизведение, сохранение наследственной информации и ее передачу новым органическим образованиям, т.е. белковым телам.

 

Структура молекул ДНК оказалась способной нести информацию о строении белков и передавать ее с помощью репликации. Генетическая информация записана на двух спиралях, в виде которых существует молекула ДНК. Информация записана только на одной спирали, вторая дублирует ее, как негатив дублирует позитив. При определенных условиях обе спирали начинают делиться; так как они соединены водородными связями, то их разорвать несложно — нужно только пустить по спирали фермент, который будет разводить спирали (подобно расстегиванию молнии). Через некоторое время вокруг каждой уже разделенной спирали формируется своя вторая половинка, и вместо одной двойной спирали молекулы ДНК возникают две двойных спирали молекулы ДНК с аналогичной информацией ( 3.1). Эта информация передается от ДНК с помощью РНК: к одной из спиралей ДНК подходит молекула РНК и считывает информацию для строительства белка, после чего несет всю считавшуюся информацию в рибосомы — частицы, в которых и синтезируется белок (РНК несет в рибосомы именно последовательность сборки белка из 20 аминокислот).

 

Так функционируют живые тела на молекулярном уровне. Как же жизнь могла возникнуть на Земле, и есть ли где-нибудь во Вселенной ее аналоги? Большинство специалистов убеждены, что возникновение жизни на Земле есть естественный результат эволюции материи. Именно в процессе этой эволюции в далеком геологическом прошлом неорганическим путем возникли сложные биологические молекулы, способные, в конечном итоге, к обмену веществ и самовоспроизведению. Однако в природе должны существовать определенные условия, при которых возникновение жизни на углеводородной основе вообще оказывается возможным. В первую очередь, это оптимальная масса планеты, не слишком большая, чтобы на ней не происходили квазизвездные ядерные реакции, и не слишком маленькая, чтобы все-таки удерживать свою атмосферу. Вторая предпосылка жизни — постоянство и оптимальное количество радиации, получаемой планетой; очевидно, что в окружении переменных звезд никакая жизнь невозможна. Третья предпосылка — для жизни нашего типа необходима вода, причем именно в жидком виде.

 

При сочетании этих, весьма благоприятных условий, эволюция материи с высокой степенью вероятности осуществляется по пути возникновения органической жизни, что и произошло на Земле. На других планетах Солнечной системы таких условий нет (наиболее близки к ним Венера и, особенно, Марс); в остальной Вселенной, по подсчетам некоторых астрономов, имеется 108 космических тел, на которых возможна жизнь, однако ни одно из них достоверно науке неизвестно. Поэтому на сегодняшний день человечество во Вселенной одиноко.

 

На Земле возникновение жизни прошло несколько этапов, которые можно выразить в логической цепочке: атомы —»простые молекулы —»сложные макромолекулы и ультрамолекулярные системы (пробионты) —> одноклеточные организмы ( 3.2). Считается, что основные предпосылки возникновения жизни возникли в конце остывания первичной туманности и образования планетезималей. Уже в процессе аккреции на Землю попадали различные углеродосодержащие соединения, в том числе аминокислоты, формальдегид НпСО, гидроксильные группы ОН и окись углерода СО. Количество этих соединений, которое могло попасть на Землю на ранних стадиях эволюции, составляло около 1017тоин. Однако наличие углерода в различных его соединениях еще не означает существования жизнеспособных форм органического материала — это, скорее, преджизнь. Она была представлена аминокислотами и различными углеродосодержащими веществами. Этот этап в возникновении жизни на Земле называется первым химическим .

 

Для того чтобы из таких соединений возникла жизнь, необходим был второй химический этап эволюции — формирование из этих соединений более сложных полимеров: полисахаридов, полипептидов, липидов и т.д. В целом ряде опытов, поставленных в середине XX века в различных странах, были смоделированы условия, отдаленно приближающиеся к тем, которые, по мнению геологов, господствовали на ранней Земле: бескислородная атмосфера, наличие метана, воды, аммиака, источников энергии (солнечная радиация, радиоактивный распад, электрические разряды, вулканические процессы), космических излучений — ультрафиолетового, а-частицами и др. В результате из простых углеводородов возникали сложные молекулярные соединения — новые аминокислоты, сахара, полимеры с 20 атомами углерода. Тем самым была доказана возможность самоорганизации относительно просто устроенной материи в более сложную.

 

Второй химический этап возникновения жизни не мог возникнуть раньше, чем образовалась гидросфера — в условиях жесткого рентгеновского излучения, которое пронизывало всю первичную атмосферу Земли, тонкую и лишенную озонового экрана, сложные высокополимерные соединения существовать не могли — они тут же распадались на составляющие их части. Первичная гидросфера стала служить защитой от жестких излучений (в том числе и от ультрафиолетового), поэтому только в некоем абиогенном бульоне, в окружении фумарол и вулканов, смогли возникнуть сложные полимеры (пробионты). Среди них сформировались и двойные спирали высокополимерных аминокислот (нуклеиновых кислот), способные порождать пару себе подобных и передавать им информацию о последующих процедурах синтеза белков.

 

Появление самовоспроизводства белковых молекул, копирующих аро- дительские" молекулы, означало возникновение собственно жизни; тем самым совершился переход от второго химического к биологическому этапу развития жизни. Именно этот период можно считать началом биосферы, подчеркнув при этом, что она родилась все-таки позже атмосферы и гидросферы, явившись продуктом их деятельности. И хотя в лабораториях не воспроизведено появление живого из неживого, весь путь эволюции простых и сложных углеводородных и азотистых соединений показывает, что жизнь возникла не на пустом месте и отнюдь не внезапно —* появление живого было подготовлено долгим предшествующим путем чисто химической эволюции органического вещества.

 

На ранних этапах своего развития пробионты — высокомолекулярные соединения, в том числе носители и передатчики информации, существовали в некоем первичном бульоне, но не были структурированы, т.е. не имели четких форм и размеров. Поэтому связи между ними были случайными и ненадежными —РНК могла не найти свою ДНК или рибосому. Устойчивость и надежность связи — краеугольные камни любой эволюции, могли быть получены оконтуриванием участка пространства, в котором можно строить белки надежно, чтобы не было бесконечных поисков собрата в бульоне. Это оконтуривание было достигнуто сначала с помощью оболочки (мембраны). Таковы вирусы - это еще не клетки, но образования, уже структурированные, т.е. уже представляющие собой доорганизменную жизнь.

 

От вируса произошло более сложное структурирование — клетка, т.е. жесткая оболочка, в которой ДНК, РНК, другие аминокислоты активно синтезировали белок; разделение ДНК с информацией теперь стало происходить уже на уровне клеток, т.е. клетки стали двоиться, а правильнее сказать — размножаться. Так возникла организменная жизнь. Период между мегамолекулярным веществом и клеткой — преодоление грани между химической и биологической эволюцией, между "неживым" и "живым" П. Тейяр де Шарден назвал периодом эволюционного разрыва крупнейшего масштаба — клеточной революцией, не имеющей себе подобных.

 

 

 Смотрите также:

 

Развитие представлений о происхождении жизни.

Происхождение жизни — одна из трех важнейших мировоззренческих проблем наряду с проблемой происхождения нашей Вселенной и проблемой происхождения человека. Попытки понять, как возникла и развивалась жизнь на Земле...

 

Эволюция жизни - Происхождение жизни: абиогенез...

Что же касается происхождения жизни на Земле, то обычно проблему эту, еще со времен Э. Геккеля (1866), сводят к чисто химической задаче: как синтезировать сложные органические макромолекулы (прежде всего белки и нуклеиновые кислоты) из простых (метана, аммиака...

 

Возникновение жизни. Возраст Земли. Концепция современного...

Жизнь существует на Земле, видимо, более 3,5 млрд лет. Признаки деятельности живых организмов обнаружены в докембрийских породах, рассеянных по всему земному шару.
Современное представление о происхождении жизни.

 

Образование простых органических соединений/ Происхождение...

Происхождение жизни связано с протеканием определенных химических реакций на поверхности первичной планеты.
Эта вторая атмосфера — продукт развития жизни на Земле, одно из его глобальных следствий.

 

История Земли и жизни на ней: Учебное пособие для старших...

Палеоантология - наука об истории жиз