Концепции современного естествознания: конспект лекций - Ольга Стрельник

Первый этап возникновения живого связан с химической эволюцией. После возникновения Земля представляла собой раскаленный шар. Постепенное остывание планеты способствовало тому, что тяжелые химические элементы перемещались к ее центру, а легкие постепенно скапливались на поверхности. Легкие элементы – кислород, углерод, азот и водород – стали взаимодействовать друг с другом, и в ходе дальнейшей химической эволюции появились различные органические соединения. Земная жизнь имеет углеродную основу, чему способствуют особые физические свойства этого химического элемента. Так, углерод способен создавать самые разнообразные структуры, число возможных органических соединений на основе углерода составляет десятки миллионов. Соединения углерода активны при невысокой температуре, даже при небольшой перестройке молекул их химическая активность может существенно меняться. Соединения углерода с водородом, азотом, кислородом, серой, железом и т. п. обладают высокими каталитическими свойствами. Кроме того, многие углеродные соединения хорошо растворяются в воде. Тем не менее ученые не исключают возможности возникновения жизни и на иной, например, кремниевой основе.

По мере остывания земной поверхности происходило сгущение водяных паров, что впоследствии привело к образованию огромных водоемов. Результатом активной вулканической деятельности на первых этапах эволюции нашей планеты стал выброс на ее поверхность различных карбидов – соединений углерода с металлами. Карбиды смывались в первичный океан, где вступали во взаимодействие с водой. В результате этих химических реакций образовались различные углеводородные соединения.

Второй этап возникновения живого связан с появлением белковыгх веществ. Присутствие в водах первичного океана большого числа углеродных соединений привело к возникновению концентрированного «органического бульона», в котором осуществлялся дальнейший процесс синтеза сложных органических молекул – белков и нуклеиновых кислот – из достаточно простых углеродных соединений.

Одним из условий для синтеза сложных органических молекул – биополимеров – является высокая концентрация исходных веществ. Предполагается, что необходимые условия сложились в результате осаждения простых органических молекул на минеральных частицах, например на глине, первичных водоемов. Кроме того, органические молекулы могли образовывать тонкую пленку на поверхности воды, которая под воздействием ветра и водных потоков сбивалась к берегу, образуя толстые слои.

Еще одним условием для синтеза биополимеров является наличие бескислородной среды, поскольку кислород, будучи сильным окислителем, моментально разрушил бы исходные органические соединения. Американский ученый Г. Юри выдвинул предположение, что первичная атмосфера Земли действительно была бескислородной и носила восстановительный характер. Она была насыщена инертными газами – гелием, неоном, аргоном, содержала водород, метан, аммиак и азот. Именно в такой среде легко создаются органические соединения. Вторичная атмосфера Земли имела уже иной состав, который стал следствием развития жизни. Вторичная атмосфера на 20 % состояла из кислорода и носила окислительный характер. Для подобного преобразования земной атмосферы понадобилось не менее 1 млрд лет. Идея Г. Юри оказала значительное влияние на развитие представлений о происхождении жизни.

Возможность абиогенного синтеза биополимеров – белковых молекул и азотистых оснований – была экспериментально доказана в середине XX в. В 1953 г. американский ученый С. Миллер смоделировал первичную атмосферу Земли и синтезировал жирные кислоты, уксусную и муравьиную кислоты, мочевину и аминокислоты путем пропускания электрических зарядов через смесь инертных газов. Таким образом было продемонстрировано, как под действием абиогенных факторов возможен синтез сложных органических соединений.

Итак, под воздействием высокой температуры, ионизирующего и ультрафиолетового излучения, атмосферного электричества из простейших органических соединений образовались белки, жиры, углеводы и аминокислоты. Согласно гипотезе русского ученого А.И. Опарина, которая была изложена в работе «Происхождение жизни» (1924), смешиваясь в первичном «бульоне», поначалу разрозненные органические соединения способны образовывать коацерватные капли. Коацерваты уже обладают рядом свойств, которые объединяют их с простейшими живыми существами. Так, например, коацерваты способны поглощать вещества из окружающей среды, вступать во взаимодействия друг с другом, увеличиваться в размерах и т. п. Однако в отличие от живых существ коацерватные капли не способны к самовоспроизводству и саморегуляции, поэтому их нельзя отнести к биологическим системам. Эксперименты с коацерватами показали, что скорость, с которой они поглощают вещества из окружающей среды, может быть различна и зависит от химической организации и пространственной структуры каждой конкретной капли. Поэтому две разновидности коацерва-тов в одном и том же растворе будут вести себя по-разному. Данные эксперименты являются косвенным подтверждением того обстоятельства, что на этой стадии предбиологичес-кой эволюции вполне мог происходить отбор коацерватов в зависимости от характера их взаимодействия с окружающей средой.

Третий этап возникновения жизни связан с формированием у органических соединений способности к самовоспроизводству. Началом жизни следует считать возникновение стабильной самовоспроизводящейся органической системы с постоянной последовательностью нуклеотидов. Только после возникновения таких систем можно говорить о начале биологической эволюции. Одну из версий перехода от предбиологической к биологической эволюции предлагает немецкий ученый М. Эйген. Согласно его гипотезе возникновение жизни объясняется взаимодействием нуклеиновых кислот и протеинов. Нуклеиновые кислоты являются носителями генетической информации, а протеины служат катализаторами химических реакций. Нуклеиновые кислоты воспроизводят себя и передают информацию протеинам. Возникает замкнутая цепь – гиперцикл, в котором процессы химических реакций самоускоряются за счет присутствия катализаторов. В гиперциклах продукт реакции одновременно выступает и катализатором, и исходным реагентом. Подобные реакции называются автокаталитическими.

Другой теорией, в рамках которой можно объяснить переход от предбиологической эволюции к биологической, является синергетика (8.2). Закономерности, открытые синергетикой, позволяют прояснить механизмы возникновения органической материи из неорганической в терминах самоорганизации через спонтанное возникновение новых структур в ходе взаимодействия открытой системы с окружающей средой.

5.3. Основные этапы эволюции органического мира

Изучением основных этапов эволюции живого занимается палеонтология – наука об ископаемых организмах. Поскольку биологической эволюции предшествовала длительная предбиологическая эволюция, отдельные этапы биогенеза современная наука увязывает с геогенезом. В геологической истории Земли выделяют различные эры, в которые происходили значительные геологические преобразования, перераспределялись суша и море, менялся климат и т. п. Кроме того, после возникновения жизни каждая эра характеризовалась своеобразием растительного и животного мира.

Геологические эры:

• катархей (5 млрд – 3,5 млрд лет назад);

• архей (3,5 млрд – 2,6 млрд лет назад);

• протерозой (2,6 млрд – 570 млн лет назад);

• палеозой (570 млн – 230 млн лет назад);

• мезозой (230 млн – 67 млн лет назад);

• кайнозой (67 млн лет назад – до настоящего времени).

Возраст Земли – около 5 млрд лет. Жизнь на нашей планете возникла в архее, примерно 3,5 млрд лет назад. В это время появляются первые живые клетки – прокариотыг. Прокариоты – это простые организмы, способные к быстрому размножению, легко приспосабливающиеся к изменяющимся условиям окружающей среды. Характерное свойство прокариотов – отсутствие выраженного ядра. Эти организмы были анаэробными, т. е. могли жить без кислорода (напомним, что первичная атмосфера Земли состояла из смеси гелия, неона, аргона, водорода, метана и азота). Эти организмы были гетеротрофами, т. е. все необходимые для жизни вещества получали в готовом виде из окружающей среды. Однако истощение первичного «органического бульона» потребовало радикального изменения способов питания. На этом этапе биогенеза преимущество имели те организмы, которые могли получить большую часть необходимой для жизни энергии за счет солнечного излучения. Световая энергия ускоряла химические реакции, в ходе которых синтезировались необходимые для жизни вещества. Процесс выработки необходимых веществ с помощью поглощения солнечной энергии называется фотосинтезом. Таким образом, на смену гетеротрофам пришли автотрофыг – живые организм^! которые существуют за счет солнечной энергии и вырабатывают необходимые для жизни вещества самостоятельно. Первыми автотрофами б^1ли цианеи, затем зеленые водоросли. Фотосинтез сыграл существенную роль в биогенезе, способствовал общему ускорению эволюции органической материи. На этом этапе преимущество получили аэробные организмы, которые способны к жизни только в присутствии кислорода.