Возникновение жизни на Земле

 Возникновение  жизни на Земле

Происхождение жизни - одна из трех важнейших мировоззренческих проблем (происхождения Вселенной и человека).

Попытки понять, как возникла и развивалась жизнь на Земле, предпринимались еще в глубокой древности. В античности сложились два противоположных подхода к решению этой проблемы.

Религиозно-идеалистический исходил из того, что возникновение жизни на Земле не могло осуществиться естественным образом; жизнь является следствием божественного творческого акта (креационизм), поэтому всем существам свойственна особая, независимая от материального мира «жизненная сила», которая направляет все процессы жизни (витализм).

  В основе материалистического подхода лежало представление о том, что живое может возникнуть из неживого под влиянием естественных факторов. При всей своей примитивности первые исторические формы концепции самозарождения сыграли прогрессивную роль в борьбе с креационизмом.

Идея самозарождения получила широкое распространение в Средневековье и эпоху Возрождения, когда допускалась возможность самозарождения не только простых, но и довольно высокоорганизованных существ.

Невозможность произвольного зарождения жизни была доказана многими опытами итальянским ученым Ф. Реди.

Применение микроскопа в биологических исследованиях открыло большое разнообразие одноклеточных организмов. На этой основе вновь возродились старые идеи произвольного самозарождения простейших существ (абиогенез). Окончательно версия о самозарождении была развенчана Л. Пастером в середине XIX в.

Появление жизни на Земле пытались объяснить и занесением ее из других космических миров. В 1865 г. немецкий врач Г. Рихтер выдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), в соответствии с которой, жизнь является вечной и зачатки, населяющие мировое пространство, могут переноситься с одной планеты на другую.

Сходную гипотезу - панспермией, в 1907 г. выдвинул С. Аррениус: во Вселенной вечно существуют зародыши жизни, которые движутся в космическом пространстве под давлением световых лучей; попадая в сферу притяжения планеты, они оседают на ее поверхности и закладывают на этой планете начало живого.

Естествознание XX в. сделало шаг вперед в изучении жизни и  сейчас уже выяснено, что в любом существе присутствует 20 аминокислот, пять оснований, два углевода и один фосфат. Небольшое число одних и тех же молекул во всех живых организмах убеждает, что все живое должно иметь единое происхождение.

Отрицание возможности самозарождения жизни в настоящее время не противоречит представлениям о принципиальной возможности развития органической природы, жизни в прошлом из неорганической материи. На определенной стадии развития материи жизнь может возникнуть как результат естественных процессов, совершающихся в неорганической природе. Кроме того, элементарные химические процессы на начальных этапах возникновения и развития жизни могли происходить не только на Земле, но и в других частях Вселенной и в различное время. Поэтому не исключается возможность занесения определенных факторов жизни на Землю из Космоса.

Согласно положениям современной науки, жизнь возникла из неживого вещества в результате эволюции материи, является результатом естественных процессов, происходивших во Вселенной. Жизнь — это свойство материи, которое ранее не существовало и появилось в особый момент истории Земли. Возникновение жизни явилось результатом процессов, протекавших сначала миллиарды лет во Вселенной, а затем многие миллионы лет на Земле. От неорганических соединений к органическим, от органических к биологическим - таковы последовательные стадии процесса зарождения жизни.

Возраст Земли исчисляется примерно 4,6 млрд. лет. Жизнь существует на Земле около 3,8 млрд. лет.

В сложном процессе возникновения жизни на Земле можно выделить несколько основных этапов.

Образование простых низкомолекулярных органических соединений. На начальных этапах своей истории Земля представляла собой раскаленную планету. Вследствие вращения при постепенном снижении температуры атомы тяжелых элементов перемещались к центру, а в поверхностных слоях концентрировались атомы легких элементов (водорода, углерода, кислорода, азота), из которых и состоят тела живых организмов.

При дальнейшем охлаждении Земли появились химические соединения: Н2О, СН4, СО2, NH3, НСN, а также Н2, О2, N2. Благодаря физическим и химическим свойствам воды (высокий дипольный момент, вязкость, теплоемкость и т.д.) и углерода (трудность образования окислов, способность к восстановлению и образованию линейных соединений) они оказались у колыбели жизни.

На этих этапах сложилась первичная атмосфера Земли, которая носила восстановительный характер, была богата инертными газами (гелием, неоном, аргоном).

Дальнейшее снижение температуры обусловило переход ряда газообразных соединений в жидкое и твердое состояние, а также образование земной коры. Когда температура поверхности Земли опустилась ниже 100°С произошло сгущение водяных паров. Длительные ливни с частыми грозами привели к образованию больших водоемов. В результате активной вулканической деятельности из внутренних слоев Земли на поверхность выносилась раскаленная масса, в том числе. При взаимодействии карбидов с водой выделялись углеводородные соединения. Горячая дождевая вода как хороший растворитель имела в своем составе растворенные углеводороды, газы (аммиак, углекислый газ, цианистый водород), соли и другие соединения, которые могли вступать в химические реакции. Активно протекали процессы роста молекул при наличии группы - N = С = N -. Эта группа имеет большие химические возможности к росту за счет присоединения к атому углерода атома кислорода и реагирования с азотистым основанием. Так постепенно на поверхности молодой планеты Земля накапливались простейшие органические соединения. «»Подсчеты показывают, что только в результате вулканической деятельности на поверхности Земли могло образоваться около 1016 кг органических молекул. Это всего на 2-3 порядка меньше массы современной биосферы! «»

Астрономическими исследованиями установлено, что на других планетах, и в космической газопылевой материи имеются углеродные соединения.

Возникновение сложных органических соединений. Второй этап биогенеза характеризовался возникновением более сложных органических соединений (в частности, белковых веществ нуклеиновых кислот) в водах первичного океана. Благодаря высокой температуре, грозовым разрядам, усиленному ультрафиолетовому излучению относительно простые молекулы органических соединений при взаимодействии с другими веществами усложнялись, полимеризировались и образовывались углеводы, жиры, аминокислоты, белки и нуклеиновые кислоты.

С определенного этапа в процессе химической эволюции на Земле активное участие стал принимать кислород. Он мог накапливаться в атмосфере Земли в результате разложения воды и водяного дара под действием ультрафиолетовых лучей Солнца. (Для превращения восстановленной атмосферы первичной Земли в окисленную,  потребовалось не менее 1-1,2 млрд. лет.) С накоплением в атмосфере кислорода восстановленные соединения начали окисляться (при окислении метана образовались метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота и т.д., которые вместе с дождевой водой попадали в первичный океан). Эти вещества, вступая в реакции с аммиаком и цианистым водородом, дали начало аминокислотам и соединениям типа аденина.  Сложные органические соединения оказались более стойкими, чем простые соединения, перед разрушающим действием ультрафиолетового излучения.

Образование фазообособленных систем. Фазообособленные системы носят открытый характер и способны взаимодействовать с внешней средой. «Механизм» образования фазообособленных систем — спонтанное упорядоченное объединение биополимеров за счет образования нековалентных связей (ионные, водородные, межмолекулярного взаимодействия). Такое объединение активно происходит в условиях взаимного соответствия поверхностей взаимодействующих молекул (комплементарность). Фазообособленные системы - это некие протоклетки (пробионты). В качестве пробионтов могли выступать коацерваты - мельчайшие коллоидальные частицы, капли, обладающие осмотическими свойствами.

В водах первичного океана концентрация органических веществ увеличивалась, происходило смешивание, взаимодействие и объединение их в мелкие обособленные структуры раствора - коацерваты.

Коацерваты образуются в слабых растворах. Они имеют сложную организацию и обладают рядом свойств, которые сближают их с простейшими живыми системами. Они способны увеличиваться в размере и поглощать из окружающей среды разные вещества, которые вступают во взаимодействие с соединениями самой капли. Эти процессы  напоминают первичную форму ассимиляции. Вместе с тем в коацерватах могут происходить процессы распада и выделения продуктов распада. Соотношение между этими процессами у разных коацерватов неодинаково. Выделяются отдельные динамически более стойкие структуры с преобладанием синтетической деятельности.

Коацерваты объясняют, как появились биологические мембраны. «»Образование мембранной структуры считается самым «трудным» этапом химической эволюции жизни. Истинное живое существо (в виде клетки, пусть даже самой примитивной) не могло оформиться до возникновения мембранной структуры и ферментов. «» Биологические мембраны - это агрегаты белков и липидов, способные отграничить вещество от среды и придать упаковке молекул прочность. Мембраны могли возникнуть в ходе формирования коацерватов.

Повышенная концентрация органических веществ в коацерватах увеличивала возможность взаимодействия между молекулами и усложнения органических соединений. На стадии формирования коацерватов зарождается отбор, который приводит к сохранению наиболее устойчивых, организованных структур. Но коацерваты это еще не живые системы, т.к. лишены способности к самовоспроизведению и саморегуляции синтеза органических веществ.

Кроме коацерватов в «первичном бульоне» накапливались полинуклеотиды, полипептиды и различные катализаторы, без которых невозможно формирование способности к самовоспроизведению и обмену веществ. Катализаторами могли быть  неорганические вещества. Возникновение простейших форм живого. Жизнь возникла не тогда, когда образовались сложные органические соединения, отдельные молекулы ДНК и др., а тогда, когда начал действовать механизм конвариантной редупликации. Именно поэтому завершение процесса биогенеза связано с возникновением у более стойких коацерватов способности к самовоспроизведению составных частей, генетического кода, с переходом к матричному синтезу белка, характерному для живых организмов.

В ходе предбиологического отбора наибольшие шансы на сохранение имели те коацерваты, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению.                             

Переход к матричному синтезу белков был величайшим скачком в эволюции материи. Однако механизм перехода пока не ясен. Основная трудность  состоит в том, что для удвоения нуклеиновых кислот нужны ферментные белки,  для создания белков - нуклеиновые кислоты. Т.о. необходимо объяснить, как в ходе предбиологического отбора объединились способности к самовоспроизведению полинуклеотидов с каталитической активностью полипептидов в условиях пространственно-временного разобщения начальных и конечных продуктов реакции.

Существуют разные гипотезы, но все они не полны. В настоящее время наиболее перспективными считаются гипотезы, которые опираются на принципы теории самоорганизации, синергетики, на представления о гиперциклах (т.е. системах, связывающих самовоспроизводящиеся  единицы друг с другом посредством циклической связи). В таких системах продукт реакции одновременно является и ее катализатором или исходным реагентом. Потому и возникает явление самовоспроизведения, которое на первых этапах  могло и не быть точной копией исходного органического образования. О трудностях становления самовоспроизведения свидетельствует существование вирусов и фагов, которые представляют собой, вероятно, осколки форм предбиологической эволюции.

В дальнейшем предбиологический отбор коацерватов происходил в нескольких направлениях:

• в направлении выработки способности накапливать белковоподобные полимеры, ответственные за ускорение химических реакций. В результате строение нуклеиновых кислот изменялось в направлении преимущественного «размножения» систем, в которых удвоение нуклеиновых кислот осуществлялось с участием ферментов.
• в системе коацерватов происходил и отбор самих нуклеиновых кислот по наиболее удачному сочетанию последовательности нуклеотидов. На этом пути формировались гены.

Самовоспроизводящиеся системы со сложившейся стабильной последовательностью нуклеотидов в нуклеиновой кислоте уже могут быть названы живыми.

Возникнув, жизнь стала развиваться быстрыми темпами. Развитие от первичных пробионтов до аэробных форм потребовало около 2 млрд. лет, тогда как с момента возникновения наземных растений и животных прошло около 500 млн. лет; птицы и млекопитающие развились от первых наземных позвоночных за 100 млн. лет, приматы выделились за 12-15 млн. лет, для становления человека потребовалось около 3 млн. лет.

 Развитие органического  мира

Этапы геологической истории Земли Геологическая история Земли подразделяется на крупные промежутки - эры, эры — на периоды, периоды — на века. Разделение на эры, периоды и века относительное, потому что резких разграничений между этими подразделениями не было. Но все же именно на рубеже соседних эр, периодов происходили существенные геологические преобразования — горообразовательные процессы, перераспределение суши и моря, смена климата, каждое подразделение характеризовалось качественным своеобразием флоры и фауны.

катархей (от образования Земли 5 млрд. лет назад до зарождения жизни);

архей, древнейшая эра (3,8 млрд. — 2,6 млрд. лет);

палеозой (570 - 230 млн. лет) со следующими периодами:

              кембрий (570 - 500 млн. лет)

    ордовик (500 - 440 млн. лет)

    силур (440 - 410 млн. лет)

    девон (410  - 350 млн. лет)

    карбон (350  - 285 млн. лет)

    пермь (285  - 230 млн. лет)

мезозой (230  - 67 млн. лет) со следующими периодами:

    триас (230  - 195 млн. лет);

    юра (195 - 137 млн. лет);

    мел (137  - 67 млн. лет);

кайнозой (67 млн. - до нашего времени) со следующими периодами и веками:

    палеоген (67  - 27 млн. лет)

       палеоцен (67-54 млн. лет)