Мир Знаний

Эволюция химических соединений на земле (стр. 2 из 3)

При дальнейшем развитии скорость реакции начинает лимитироваться концентрацией реагирующих веществ, и ЭОКС достигает второго кинетического предела саморазвития.

Второй кинетический предел преодолевается с помощью пространственного структурного разобщения полифункционирующих центров катализа.

Концепции возникновения жизни на земле

Многовековые исследования и попытки решения вопросов о происхождении природы и сущности жизни породили разные концепции возникновения жизни на Земле:

1) жизнь возникала неоднократно и самопроизвольно из неживого вещества;

2) жизнь существовала всегда (теория стационарного состояния);

3) жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия);

4) жизнь возникла в результате биохимической эволюции.

По существу, это главный способ роста всех живых тканей, в соответствии с которым с матричных Молекул ДНК или РНК считывается наследственная информация и на ее основе строится новая молекула. Можно считать, что второй кинетический предел является пределом добиологической химической эволюции, то есть с достижением способности к самовоспроизведению завершается наивысший этап химической эволюции сложных каталитических систем.

Аристотель, позже поддерживали Галилей, Декарт, Ламарк, Гегель. Однако еще в 1688 году итальянский биолог Франческо Реди, живший во Флоренции, серией опытов с открытыми и закрытыми сосудами доказал, что появляющиеся в гниющем мясе маленькие черви — это личинки мух, и сформулировал свой принцип: все живое из живого (концепций биогенеза). В 1860 году Луи Пастер доказал, что бактерии вездесущи и могут заражать неживые вещества, для избавления от них необходима стерилизация. Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения.

Практически одновременно с работами Пастера (в 1865 году) на стыке космогонии и физики ученым Г. Рихтером разрабатывается гипотеза занесения живых существ на Землю из космоса — концепция панспермии. Согласно этой идее зародыши простых организмов могли попасть в земные условия вместе с метеоритами и космической пылью и дать начало эволюции живого, то есть жизнь могла возникнуть в разное время в разных частях Галактики и была перенесена на Землю тем или иным способом. Подобные мысли разделяли крупнейшие ученые конца XIX — начала XX века: Либих, Кельвин, Гельмгольц и др. В 1908 году шведский химик Сванте Аррениус поддержал гипотезу происхождения жизни из космоса. Он описывал, как с населенных другими существами планет уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Частицы жизни, носящиеся в бескрайних просторах космоса, переносились давлением света от звезд, оседали на планеты с подходящими условиями для жизни и начинали новую жизнь на таких планетах. Эти идеи поддерживали выдающиеся русские ученые академики С. П. Костычев, Л. С. Берг, П. П. Лазарев.

Несколько иную позицию занимал крупнейший русский ученый академик В. И. Вернадский. Он разделял идею вечности жизни, но не в плане ее космического перераспределения между планетами, а в смысле неразрывности материи и жизни. Жизнь и материя, по Вернадскому, взаимосвязаны, между ними нет временной разделенности.

Для обоснования панспермии обычно используют наскальные рисунки с изображением предметов, похожих на ракеты или космонавтов, а также появление НЛО. При изучении вещества метеоритов и комет были обнаружены многие «предшественники живого» — органические соединения, синильная кислота, вода, формальдегид, цианогены. В 1975 году предшественники аминокислот найдены в лунном грунте и метеори­тах. Сторонники гипотезы занесения жизни из космоса считают их «семенами», посеянными на Земле.

Тем не менее пока эта гипотеза полного научного обоснования не получила. При всей широте спектра возможных условий существования живых организмов считается, что они должны погибнуть в космосе под действием излучения. Космические исследования до настоящего времени позволяют считать, что вероятность обнаружить жизнь в пределах Солнечной системы очень мала. Доводы в пользу нахождения в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни, пока выглядят малоубедительными. К тому же теория панспермии не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а переносит проблему возникновения жизни в какое-то другое место Вселенной.

Сторонники теории вечного существования жизни считают, что Земля никогда не возникала, а существовала вечно. При этом она всегда была способна поддерживать жизнь, причем некоторые виды при изменениях условий на планете резко меняли численность или вымирали. Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, со все более высокими оценками возраста Земли, с обнаружением некоторых видов животных, которые считались ранее вымершими.

Современные представления о происхождении жизни восходят к гипотезам советского академика А. И. Опарина (1923 год) и английского естествоиспытателя Джона Скотта Холдейна (1929 год).

Гипотеза возникновения жизни академика А. И. Опарина

Пик исследований А. И. Опарина и его соавторов приходился на 50-60-е годы, хотя его книга «Происхождение жизни» была опубликована еще в 1924 году.

С самого начала этот процесс был связан с геологической эволюцией. В настоящее время принято считать, что возраст нашей планеты составляет примерно 4,3 млрд лет. В далеком прошлом Земля была очень горячей (4000-8000 °С). По мере остывания образовывалась земная кора, а из воды, аммиака, двуокиси углерода и метана — атмосфера. Такая атмосфера называется «восстановительной», поскольку не содержит свободного кислорода. При падении температуры на поверхности Земли ниже 100 °С образовались первичные водоемы. Под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси происходил синтез органических веществ-мономеров, которые локально накапливались и соединялись друг с другом, образуя полимеры. Можно допустить, что тогда же одновременно с полимеризацией шло образование надмолекулярных комплексов-мембран.

По однотипным правилам синтезировались в «первичном бульоне» гидросферы Земли полимеры всех типов: аминокислоты, полисахариды, жирные кислоты, нуклеиновые кислоты, смолы, эфирные масла и др. Это предположение было проверено экспериментально в 1953 году на установке Стэнли Миллера, которому удалось получить многие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряд аминокислот, аденин и простые сахара. Позднее в сходном эксперименте были синтезированы нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты).

Органические вещества скапливались в сравнительно неглубоких водоемах, прогреваемых Солнцем. Солнечное излучение доносило до поверхности Земли ультрафиолетовые лучи, которые в наше время сдерживаются озоновым слоем атмосферы. Так энергией обеспечивалось протекание химических реакций между органическими соединениями и синтез поли­меров.

Молекулы воды, смачивая только гидрофильные концы молекул жиров, ставили их как бы «на голову», гидрофобными концами вверх. Таким способом создавался комплекс упорядоченных молекул жиров, которые за счет прибавления к ним новых молекул постепенно отграничивали от всей окружающей среды некоторое пространство, которое и стало первичной клеткой, или коацерватом — пространственно обособившейся целостной системой. Коацерваты оказались способными поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечивало возможность первичного обмена веществ со средой.

Таким образом, первичная клеточная структура, по Опарину, представляла собой открытую химическую микроструктуру которая была наделена способностью к первичному обмену веществ, но еще не имела системы для передачи генетической информации на основе нуклеиновых кислот. Такие системы, черпающие из окружающей среды вещества и энергию, могут противостоять нарастанию энтропии и способствовать ее уменьшению в процессе своего роста и развития, что является характерным признаком всех живых систем.

Концепция А. И. Опарина в научном мире весьма популярна. Сильной ее стороной является точное соответствие теории химической эволюции, согласно которой зарождение жизни — закономерный результат. Аргументом в пользу этой концепции служит возможность экспериментальной проверки ее основных положений в лабораторных условиях.

Слабой стороной концепции А. И. Опарина является допущение возможности самовоспроизведения коацерватных структур в отсутствие систем, обеспечивающих генетическое кодирование. В рамках концепции Опарина не решена главная проблема — о движущих силах саморазвития химических систем и перехода от химической эволюции к биологической, о причине таинственного скачка от неживой материи к живой.

Спорные вопросы концепций происхождения жизни

1) что было первичным — белки или нуклеиновые кислоты?

2) если предположить, что эти классы полимеров возникли не одновременно, то как и когда произошло их объединение в единую систему передачи генетической информации?

Белки в организме служат катализаторами протекающих биохимических реакций и являются клеточными структурными элементами. Они представляют собой цепочки аминокислот, удерживающихся пептидными связями. Из огромного арсенала аминокислот для образования животных и растительных белков природа использовала 20 типов. Разнообразие белков определяется различными аминокислотами и последовательностью их расположения в белковых цепях. Даже при полной

Одним из наиболее сложных вопросов, связанных с происхождением жизни, является характеристика особенностей доклеточного предка.