Основные этапы возникновения живого на Земле

Введение

Большинство современных специалистов убеждены, что возникновение жизни в условии первичной Земли является естественным результатом эволюции материи. Это убеждение подтверждается единством химических основ жизни, построенным несколькими простыми и наиболее распространенными во вселенной атомах.
Нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, жиры и несколько более редких видов фосфатных соединений: исключительное морфологическое разнообразие жизни (микроорганизмы, растения, животные), выполненные на достаточно устойчивой биохимической основе.
Важнейшими химическими элементами, которые составляют жизнь, являются углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. Очевидно, что тело живых организмов использует для своего формирования наиболее распространенные химические элементы во Вселенной, что обусловлено природой этих элементов. Например, атомы водорода, углерод, кислород и азот имеют небольшие размеры и могут образовывать стабильные соединения с двумя и тремя связями, которые повышают их реакционную способность. Образование сложных полимеров, без которых возникновение и развитие жизни вообще невозможно, напрямую связаны с ними.
Остальные два биогенных элемента – сера и фосфор присутствуют в относительно небольших количествах клеток, но их роль в жизни особенно важна. Химические свойства этих элементов также позволяют образовывать множественные химические связи. Сера является частью белков, а фосфор является компонентом нуклеиновых кислот.
В дополнение к этим шести основным химическим элементам при строительстве организмов в небольших количествах имеются натрия, калия, магния, кальция, хлора и микроэлементы: железо, марганец, кобальт, медь, цинк, следы алюминия, бора, ванадия, молибдена и йода. Следует отметить и некоторые чрезвычайно редкие атомы, которые случайным образом и в незначительных количествах обнаруживаются в клетках живых существ.
Следовательно, химическая основа для разнообразия жизни имеет 15 химических элементов, которые вместе с шестью наиболее важными участвуют в разных пропорциях в структуре и осуществлении функций живых организмов. Этот факт особенно важен в двух направлениях: 1) как доказательство единства происхождения жизни и 2) как факт, что сама жизнь, являющаяся результатом самоорганизации, включило в развитие биологических макромолекул не только все наиболее распространенные элементы, но и все атомы, которые особенно подходят для жизнедеятельности (такие как фосфор, железо, йод и т. д.). Как пишет советский ученый Камшилов «для реализации функций жизни, крайне важны химические свойства атомов, в частности их квантовые свойства». Не только структура, метаболизм, а также механическое действие живых организмов зависят от их составляющих молекул. Однако это не означает, что жизнь может быть просто сведена к химическим законам.
Жизнь - одно из самых сложных, если не самое сложное явление природы. Потому что она характеризуется обменом веществ и размножением, а специфика более высоких уровней базируется на организационной структуре нижних уровней.


Предпосылки возникновения жизни
Современная теория происхождения жизни основана на идее, что биологические молекулы могут возникнуть неорганическим образом в отдаленном геологическом прошлом. Сложная химическая эволюция обычно выражается следующей обобщенной схемой:
атомы
простые соединения
простые биоорганические соединения
макромолекулы
организованные системы.
Начало этой эволюции было заложено нуклеосинтезом в Солнечной системе, когда были сформированы основные элементы, в том числе биогенные. Начальное состояние - нуклеосинтез быстро перешел в процесс образования химических соединений. Этот процесс происходил в условиях первичной Земли с все большей сложностью, вызванной общими космическими и конкретными планетарными предпосылками.
Первое необходимое условие имеет общую космическую природу. Оно связан с единой химической основой Вселенной. Жизнь развивается на этой единой основе, отражающей как количественные, так и качественные свойства отдельных химических элементов. Это предположение приводит к выводу, что жизнь может возникнуть на любой планете во Вселенной, которая напоминает нашу массу и положение относительно центральной звезды. Согласно мнению известного американского астронома Х. Шепли, во Вселенной существует 108 космических тел (планет или звезд-лиллипутов), на которых может существовать или будет существовать жизнь.
Основное условие возникновения жизни имеет планетарную причину и определяется массой планеты. Такое утверждение может быть несколько геоцентрическим и антропоцентрическим, но жизнь, подобная Земле, могла развиваться на планете, масса которой имеет строго определенную ценность. Когда масса планеты составляет более 1/20 от массы Солнца, на ней начинаются интенсивные ядерные реакции, которые поднимают ее температуру, и она начинает светится, как звезда.
Это планеты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Планеты низкой массы (Меркурий) обладают слабым гравитационным полем и не могут долго поддерживать атмосферу, необходимую для развития жизни. Интересно отметить, что Земля получила 80% своей массы за первые 100 миллионов лет своего существования.
Из планет солнечной системы у Венеры и Марса есть подходящая масса помимо Земли, но никаких других условий. По словам советского астрофизика В. Г. Фесенкова, 1% планет во Вселенной имеют подходящую массу.
Особенно важной предпосылкой для формирования и эволюции жизни является относительно постоянное и оптимальное излучение, которое планета получает от центральной звезды. Обычно оптимальное излучение получается планетами, которые имеют круговую и поэтому получают относительно постоянное излучение.
Необходимым условием возникновения жизни является наличие воды. Как это ни парадоксально, хотя вода является почти самой распространенной молекулой во Вселенной, на удивление мало планет имеет гидросферу: в нашей солнечной системе только на Земле есть гидросфера, а на Марсе есть только небольшое количество воды.
Значение воды для жизни необычайно огромно. Это связано с его специфическими тепловыми свойствами: огромная теплоемкость, плохая теплопроводность, расширение при замораживании, хорошие свойства как растворителя и т. д. Эти свойства определяют водный цикл в природе, который играет исключительную роль в истории Земли.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что создание жизни на Земле является частью общей эволюции материи во вселенной, а не своего рода сверхъестественным действием. Присутствовали исходные органические соединения, оптимальная масса Земли, оптимальная солнечная радиация, наличие гидросферы. В этих условиях развитие материи, скорее всего, будет происходить по пути возникновения жизни.
За последние 20 лет была получена интересная информация о наличии органических соединений во Вселенной. Источниками этой информации являются естественные посланники космоса на Земле, метеориты.
Все ранее родившиеся теории идеалистов, сторонников религиозных течений и даже материалистов были совершенно необоснованными, потому что ученые того времени знали очень мало.
И только с наступлением капитализма, который характеризовался достижениями в области науки и техники, великий научный потенциал начал накапливать и научно обосновывал теории происхождения жизни на земле

Зарождение и развитие эволюционной идеи
Первые белковые структуры (протобионты в терминологии Опарина) появились в период, когда молекулы белка были ограничены от окружающей мембраной. Эти структуры могут возникать из первичного «бульона» через коацервацию - спонтанное разделение водного раствора с некоторой конкентрацией полимеров

. Процесс коацервации привел к образованию микроскопических капель с высокой концентрацией полимеров. Некоторые из этих капель поглощали низкомолекулярные соединения, аминокислоты, глюкозу, примитивные катализаторы. Взаимодействие молекулярного субстрата и катализаторов означало простейший вид метаболизма в протобионтах.
Метаболизированные капли содержали новые соединения из окружающей среды и увеличивали объем. Когда коацерваты набирали размер максимально допустимый в физической окружающей среде, они разделялись на более мелкие капельки, например, под действием волн, как в случае с эмульсией масла в воде при встряхивании. Маленькие капли снова увеличивались, а затем образовывали новые поколения коацерватов.
Возрастающая сложность протобионтов осуществлялась отбором таких коацерватных капель, которые имели преимущество лучшего использования энергии и материи среды. Отбор в качестве основной причины эволюции коацерватов до – базовое положение гипотезы Опарина.
Генетическая гипотеза. Согласно этой гипотезе, нуклеиновые кислоты впервые появились как матричная основа для синтеза белков. Она была впервые предложена в 1929 году Г. Мёллером.
Экспериментально доказано, что простык нуклеиновые кислоты могут реплицироваться без ферментов. Синтез белков в рибосомах происходит при учатсии транспортной (т-РНК) и рибосомной РНК (р-РНК). Они способны строить не только случайные комбинации аминокислот, но и упорядоченные полимеры белков. Возможно, первичные рибосомы включали исключительно РНК.
Такой свободные от белка рибосомы способны синтезировать пептиды, при участии молекулы т-РНК, которая связывается посредством спаривания оснований с р-РНК.
На следующей стадии химической эволюции появились матрицы, определявшие последовательность молекул т-РНК, и, таким образом, аминокислотные последовательности, которые связываются с молекулами т-РНК.
Способность нуклеиновой кислоты служить в качестве матриц для формирования комплементарных нитей (например, синтез и и-РНК на ДНК) - самый сильный аргумент ведущей роли в биогенезе наследственного устройства и, следовательно, для гипотезы генетического происхождения жизни.
Наиболее важные фазы биогенеза. Процесс биогенеаз включал в себя три основных этапа: возникновение органических веществ, появление сложных полимеров (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов), формирование первичных организмов.
Первым шагом является образование органических веществ. Уже при формировании Земли появилось значительное количество абиогенных органических соединений. Первичными элементами для их синтеза были газообразные продукты докислородной атмосферы и гидросферы (СН4, СО2, Н2О, Н2, NH3, NO2). Эти продукты также применяются в искусственном синтезе органических соединений, которые образуют биохимические основы жизни. Экспериментальный синтез белковых компонентов - аминокислот в попытках создать жизнь «в пробирке» начал С. Миллер (1951-1957). Он провел серию опытов по воздействию электрических искровых разрядов в смеси газов СН4, NH3, H2 и паров воды, в котором обнаружились аминокислоты, аспарагин, глицин, глутамин. Данные, полученные Миллером, были подтверждены советскими и зарубежными учеными.
Пуриновые и пиримидиновые основания, сахара были также получены экспериментальным путем. При умеренном нагревании смеси цианистого водорода, аммиака и воды Д. Оро получил аденин.
Он также синтезировал урацил во взаимодействии аммиачного раствора мочевины с соединениями, образующимися простыми газами под воздействием электрических разрядов. Смесь метана, аммиака и воды под воздействием ионизирующего излучения образовывала углеводные компоненты нуклеотидов - рибозы и дезоксирибозы. Эксперименты с УФ-излучением показали возможность синтеза нуклеотидов из смеси пуриновых оснований, рибозы или дезоксирибозы и полифосфатов. Известно, что нуклеотиды представляют собой мономеры нуклеиновых кислот.
Второй этап - образование сложных полимеров. Этот этап возникновения жизни характеризовался абиогенным синтезом полимеров, таких как нуклеиновые кислоты и белки.
С. Акабури впервые синтезировали полимеры протобелков со случайным набором аминокислотных остатков. Затем, когда смесь аминокислот нагревали до 100 oC на куске вулканической лавы, С. Фоке получал полимер с молекулярной массой до 10000, содержащий все аминокислоты, содержащиеся в эксперименте. Этот полимер называет Фоке протеиноидом.
Искусственно произведенные протеиноиды характеризовались свойствами, присущими белкам современных организмов: повторяющейся последовательностью аминокислотных остатков в первичной структуре и выраженной ферментативной активностью.
Полимеры из нуклеотидов, такие как нуклеиновые кислоты организмов, были синтезированы в лабораторных условиях, которые не являются воспроизводимыми в природной среде. Г. Корнберг показал возможность синтеза нуклеиновых кислот in vitro; это потребовало определенных ферментов, которые не могли присутствовать в примитивных состояниях нашей планеты.
В начальных процессах биогенеза химический отбор имеет большое значение, он является фактором синтеза простых и сложных соединений. Одной из предпосылок химического синтеза является способность атомов и молекул к избирательности во время их взаимодействия в реакциях. Например, галогенохлор или неорганические кислоты предпочитают сочетание с легкими металлами.
Свойство молекулярной селективности определяет способность самосборки молекул, что было показано в С. Фоксом в сложных макромолекулах, которым свойственен строгий порядок, как количества мономеров, так и их пространственного расположения.
Считается, что способность самоорганизовать макромолекулы подтверждает гипотезу А. И. Опарина показывая, что молекулы коферментного белка могут быть синтезированы без какого-либо матричного кода.
Третий этап - появление первичных живых организмов. От простых углеродных соединений химическая эволюция привела к тому, что молекула с высоким содержанием полимера стала основой формирования примитивных существ. Переход от химической к биологической эволюции был отмечен появлением нового качества, а не уровня химического вещества в развитии. Главной из них была внутренняя организация протобионтов, адаптированная к окружающей среде через устойчивый и энергетический обмен, наследование этой организации, основанное на тиражировании генетического аппарата (матричный код).
А.И. Опарин с коллегами показали, что коорцеваты имеют устойчивый обмен веществ с окружающей средой. При определенных условиях концентрированные водные растворы РНК, полипептидов, полисахаридов образуют коацерватные капельки объемом от 10-7 до 10-6 см 3, которые взаимодействуют с водной средой. Эти капли способны поглощать вещество из окружающей среды и синтезировать его в новые соединения.
Таким образом, коацерват содержащий фермент гликогенфосфорилазу, из раствора абсорбирует глюкозо-1-фосфат и синтезированный полимер, аналогичный крахмалу.
Эти самоорганизующиеся структуры описал С. Фоке и называл их микросферами. После охлаждения нагретые концентрированные растворы вызывали спонтанное формирование сферических капель протеиноида диаметром около 2 микрон. При определенных значениях рН микросфер образуется двухслойная оболочка, напоминающая мембраны нормальной клетки. Они также имеют возможность делиться.
Хотя микросферы не содержат нуклеиновых кислот и не обладают выраженным метаболизмом, они рассматриваются как возможная модель первых самоорганизующихся структур, подобных примитивным клеткам.
Клетки - основная элементарная единица жизни, способная воспроизводиться, в ней протекают все базовые процессы метаболизма (биосинтез, энергетический обмен и др.)