Происхождение жизни на земле

План.

• 11.1. Исторический обзор представлений о возникновении жизни на Земле.
• 11.2. Космические, геофизические и химические предпосылки происхождения жизни на Земле.
• 11.3. Ключевые этапы возникновения и ранней эволюции жизни на Земле.
• 11.3.1. Хронология геологической, химической и биологической эволюции.
• 11.3.2. Абиогенный синтез органических соединений из неорганических веществ.
• 11.3.3. Образование фазово-отграниченных (дискретных) частиц и возникновение предбиологических систем (протобиоитов).
• 11.3.4. Образование простейших биологических систем и появление прокариот.
• 11.3.5. Возникновение эукариот.

Исторический обзор представлений о возникновении жизни на Земле

Идеалистические теории. Ключевой тезис, объединяющий практически все идеалистические теории, — утверждение, что все живые существа и человек имеют сверхъестественное происхождение и неизменны (креационизм).

Теория панспермии.

Авторами теории являются И. Рихтер, С. Аррениус, Г. Гельмгольц, Ф. Крик, Л. Оргелл.

Основной тезис: жизнь существует во Вселенной вечно и переносится с одного космического тела на другое в форме «зародышей» (спор микроорганизмов и др.).

Примечание. На возможность зарождения жизни за пределами Земли и переноса ее в космическом пространстве указывают результаты исследований последних лет, в которых установлены: а) возможность межпланетного переноса пылевых частиц и осколков горных пород, образовавшихся в результате соударения планеты с крупной кометой или астероидом; б) принципиальная возможность сохранения целостности.

Рис. 11.1. Конкреции в составе метеорита возраста около 4 млрд лет, сходные по форме с современными прокариотами.

микроскопических биологических объектов в процессе выброса с поверхности планеты в космос и достаточно длительного пребывания в данной среде (при условии их нахождения в глубине минерального тела); в) наличие в метеоритах, в том числе предположительно марсианского происхождения (пахлитах и др.), частиц, сходных по своей морфологии с некоторыми видами известных бактерий (рис. 11.1).

Теории самозарождения. Авторами теории являются Аристотель, Д. Нидгем.

Основной тезис: живые существа могут возникать в результате одномоментных актов самозарождения из неорганического или простого органического материала.

Экспериментальные доказательства несостоятельности теорий самозарожден ия:

• 1) итальянский ученый Ф. Реди показал, что белые черви в разлагающемся мясе на самом деле являются личинками, развивающимися из отложенных мухами яиц, а не представляют собой результат самозарождения;
• 2) французский ученый Л. Пастер продемонстрировал невозможность самозарождения бактерий в колбах со стерильным бульоном, которые сообщаются с воздушной средой (доступ кислорода) посредством S-образной трубки (содержавшиеся в воздухе споры микроорганизмов оседали на изгибах трубки).

Перечисленные теории в настоящее время представляют только исторический интерес.

Теория абиогенного происхождения жизни. Авторы теории А. И. Опарин, Дж. Холдейн, Дж. Бернал.

Основные положения:

• 1) жизнь на Землю не занесена извне;
• 2) жизнь не возникла путем самозарождения;
• 3) жизнь является результатом длительной эволюции сначала неорганической, а затем органической материи;
• 4) живые существа для поддержания структуры и жизнедеятельности нуждаются в постоянном притоке веществ и энергии.

Характерной чертой живых систем является самоорганизация, т. е. способность к формированию и усложнению своей структуры без использования какой-либо внешней информации;

5) в основе живой материи лежат химические элементы I (Н), II (С, N, 0) и III (Р, S) периодов Периодической системы Д. И. Менделеева. Участие этих элементов в формировании сложных органических молекул, обеспечивающих для живого организма возможность обмена веществами и энергией с окружающей средой, обусловлено их химическими свойствами. Это элементы легкие, легко вступающие в химические реакции, сопровождающиеся образованием газообразных и хорошо растворимых соединений. Они обладают способностью устанавливать разнообразные химические связи. Благодаря поливалентности некоторых из них (С, N, Р) могут возникать разветвленные химические структуры. В качестве основного растворителя выступает вода.

Рассмотрим основные характеристики воды.

• 1. Вследствие полярности ее молекул вода является хорошим растворителем для большинства органических веществ (в водных растворах взаимодействие веществ, как известно, идет с наибольшей эффективностью).
• 2. Вода обладает высоким поверхностным натяжением, что способствует концентрированию органических веществ на границе раздела фаз «вода — воздух», облегчая их взаимодействие.
• 3. При взаимодействии с микроскопическими частицами вода формирует гели (гидрогели) — тела, способные сохранять форму и обладающие упруго-пластическими свойствами. Существенно, что вода в составе гелей отличается высоким уровнем структурированности (квазикристаллическое состояние), что является одним из важных факторов, определяющих регулярную (в первую очередь спиральную) конфигурацию биополимеров. В зависимости от определенных внутренних (химический состав и др.) и внешних (температура, давление и др.) условий вода в гелевых комплексах может претерпевать значительные структурные перестройки. При этом структуризация воды сопровождается накоплением энергии, а деструктуризация — высвобождением. Считается, что эта энергия достаточна для обеспечения некоторых, в том числе биохимических, процессов. Не менее важным в ключе проблемы возникновения жизни является свойство гелей избирательно накапливать определенные ионы и вещества и подавлять образование кристаллов воды (напомним, что внутреннее содержимое всех клеток и многие внеклеточные субстанции представляют собой гели).
• 4. Вода является источником и носителем активных форм кислорода (частиц, содержащих атом кислорода с неспаренным электроном — перекись водорода, гидроксильный радикал и др.), которые отличаются высокой лабильностью (то возникают, то исчезают, гасятся). Их гашение — спаривание двух неспаренных электронов при взаимодействии свободных радикалов — сопровождается освобождением энергии, которая может использоваться для протекания биохимических реакций. Предполагают, что гашение свободнорадикальных частиц наряду с процессом структурирования-деструктурирования воды явились наиболее ранними источниками энергии для первых нредбиологических систем.
• 5. Вода сохраняет жидкое состояние в широком диапазоне температур (важно для обеспечения структурной целостности клеток живых организмов и поддержания относительно устойчивых режимов биохимических процессов, протекающих в них).
• 6. Вода обладает большой удельной теплоемкостью (благодаря этому свойству изменения внешней температуры незначительно сказываются на температуре внутренней среды клетки, что позволяет поддерживать скорость идущих в ней химических реакций на относительно постоянном уровне).
• 7. Для воды характерна высокая теплота парообразования, благодаря чему с небольшим количеством пара из организма может удаляться значительное количество избыточной тепловой энергии (всегда выделяется при протекании биоэнергетических процессов).