Предпосылки возникновения жизни.
Для того чтобы правильно представить процесс возникновение жизни, необходимо кратко рассмотреть современные взгляды на образование Солнечной системы и положение Земли среди её планет. Эти представления очень важны, так как, несмотря на общность происхождения планет, окружающих Солнце, только на Земле появилась жизнь и достигла исключительного разнообразия.
В астрономии считается принятым, что Земля и другие планеты Солнечной системы образовались из газово-пылевого облака около 4,5 миллиардов лет тому назад. Такая газово-пылевая материя встречается в межзвёздном пространстве и в настоящее время. Водород - преобладающий элемент Вселенной. Путём реакции ядерного синтеза из него возникает гелий, из которого, в свою очередь, образуется углерод. Ядерные процессы внутри облака продолжались длительное время (сотни миллионов лет). Ядра гелия объединялись с ядрами углерода и формировали ядра кислорода, затем неона, магния, серы и т. д.
Таким образом, под действием высоких температур и гравитационного сжатия, обусловленного вращением облака вокруг своей оси, возникают различные химические элементы, составляющие основную массу звёзд, планет и их атмосферы. Образование химических элементов при возникновении звездных систем, в том числе и таких, как наша Солнечная система, - закономерное явление в эволюции материи. Однако для её дальнейшего развития на пути к возникновению жизни необходимы были некоторые космические и планетарные условия. Одно из таких условий – размеры планеты. Масса ее не должна была быть слишком большой, так как энергия атомного распада природных радиоактивных веществ может привести к перегреванию планеты или, что еще более важно, к радиоактивному загрязнению среды, несовместимому с жизнью. Маленькие планеты не способны удерживать около себя атмосферу, потому что сила притяжения их невелика. Это обстоятельство исключает возможность развития жизни. Примером таких планет может служить спутница Земли – Луна. Второе, не менее важное условие – движение планеты вокруг звезды по круговой или близкой к круговой орбите, позволяющее постоянно и равномерно получать необходимое количество энергии. Наконец, третье необходимое условие для развития материи и возникновения живых организмов – постоянная интенсивность излучения светила. Последнее условие также очень важно, потому что в противном случае поток лучистой энергии, поступающий на планету, не будет равномерным. Неравномерность потока энергии, приводя к резким колебаниям температуры, неизбежно препятствовала бы возникновению и развитию жизни, так как существование живых организмов возможно в пределах весьма жестких температурных рамок. Стоит вспомнить, что живые существа на 80-90 % состоят из воды, причем не газообразной (пар) и не твердой (лед), а жидкой. Следовательно, температурные границы жизни определяются еще и жидким состоянием воды.
Всем этим условиям удовлетворяла наша планета – Земля. Итак, около 4,5 млрд. лет назад на Земле создались космические, планетарные и химические условия для развития материи в направлении возникновения жизни.
Современные представления о возникновении жизни.
На первых этапах своего формирования Земля имела очень высокую температуру. По мере остывания планеты тяжелые элементы перемещались к ее центру, а более легкие соединения (Н2, СО2, СН4, и др.) оставались на поверхности. Металлы и другие, способные к окислению элементы соединялись с кислородом, и в атмосфере Земли свободного кислорода не было. Атмосфера состояла из свободного водорода и его соединений (НО, СН, NH, HCN) и поэтому носила восстановительный характер. По мнению академика А. И. Опарина, это служило важной предпосылкой возникновения органических молекул небиологическим путём. Несмотря на то что ещё в первой трети 19 века немецкий учёный Ф. Вёлер доказал возможность синтеза органических соединений в лабораторных условиях, многие учёные считали, что эти соединения могут возникать только в живом организме. В связи с этим их называли органическими соединениями в противоположность веществам неодушевлённой природы, названным неорганическими соединениями. Однако простейшие углеродсодержащие соединения – углеводороды, - как оказалось, могут образовываться даже в космическом пространстве. Астрономы обнаружили метан в составе атмосферы Юпитера, Сатурна и во многих туманностях Вселенной. Углеводороды могли входить и в состав атмосферы Земли. Вместе с другими компонентами газовой оболочки нашей планеты – водородом, парами воды, аммиаком, синильной кислотой и другими веществами – они подвергались воздействию различных источников энергии: жесткому, близкому к рентгеновскому, ультрафиолетовому излучению Солнца, высокой температуре в области грозовых разрядов и в районах активной вулканической деятельности и т. д. В результате этого простейшие компоненты атмосферы вступали во взаимодействие, многократно изменяясь и усложняясь. Возникали молекулы сахаров, аминокислот, азотистые основания, органические кислоты и другие органические соединения.
В 1953 году американский учёный С. Миллер экспериментально доказал возможность таких превращений. Пропуская электрический разряд через смесь Н2, Н2О, СН4 и NH3 он получил набор из нескольких аминокислот и органических кислот.
В дальнейшем подобные эксперименты проводились во многих странах, при этомиспользовались различные источники энергии, всё более точно воссоздавались условия первобытной Земли. Было установлено, что абиогенным путём в отсутствии кислорода могут быть синтезированы очень многие простые органические соединения, входящие в состав биологических полимеров – белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов.
Возможность абиогенного синтеза органических соединений доказывается и тем, что они обнаружены в космическом пространстве. Речь идёт о цианистом водороде (HCN), формальдегиде, муравьиной кислоте, этиловом спирте и других веществах. В некоторых метеоритах обнаружены жирные кислоты, сахароза, аминокислоты. Всё это свидетельствует о том, что достаточно сложные органические соединения могли возникать чисто химическим путем в условиях, существовавших на Земле примерно 4-4,5 млрд. лет назад.
Теперь вновь возвратимся к рассмотрению процессов, протекавших на Земле в те времена, когда колбой Миллера был весь Земной шар. Земля находилась во власти могучих стихий. Извергались вулканы, вздымая в небо огненные столбы. С гор и вулканов текли потоки раскаленной лавы, огромные клубы пара окутывали Землю, сверкали молнии, гремели раскаты грома. По мере остывания планеты водяные пары, находившиеся в атмосфере, также остывали, конденсировались и обрушивались ливнями. Образовывались огромные водные пространства. Поскольку Земля была еще достаточно горячей, вода испарялась, а затем, охлаждаясь в верхних слоях атмосферы, вновь выпадала на поверхность планеты в виде дождей. Это продолжалось в течение многих миллионов лет. В водах первичного океана были растворены компоненты атмосферы, различные соли. Кроме того, туда постоянно попадали и непрерывно образующиеся в атмосфере простейшие органические соединения – те самые компоненты, из которых возникали более сложные молекулы. В водной среде они конденсировались, в результате чего появились первичные полимеры – полипептиды и полинуклеотиды. Надо заметить, что для образования более сложных органических веществ требуются значительно менее жесткие условия, чем для возникновения простых молекул. Например, синтез аминокислот из смеси газов, входивших в состав атмосферы древней Земли, происходит при t=1000˚C,а конденсация их в полипептид – всего лишь при t=160˚С.
Следовательно, образования разнообразных органических соединений из неорганических веществ в тех условиях было закономерным процессом химической эволюции.
Таким образом, условиями для абиогенного возникновения органических соединений были восстановительный характер атмосферы Земли (соединения, обладающие восстановительными свойствами, легко вступают во взаимодействия между собой и с веществами-окислителями), высокая температура, грозовые разряды и мощное ультрафиолетовое излучение Солнца, которое в то время еще не задерживалось озоновым экраном.
Итак, первичный океан, по-видимому, содержал в растворенном виде различные органические и неорганические молекулы, попадающие в него из атмосферы и вымываемые из поверхностных слоев Земли. Концентрация органических соединений постоянно увеличивалась, и в конце концов вода океана стала «бульоном» из белково-подобных веществ – пептидов, а также нуклеиновых кислот и других органических соединений.
Молекулы различных веществ могут объединяться, образуя многомолекулярные комплексы – коацерваты. В первичном океане коацерваты, или коацерватные капли, обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в водах первичного океана. В результате этого внутреннее строение коацервата претерпевало изменения, что вело или к его распаду, или к накоплению веществ, т.е. к росту и к изменению химического состава, повышающих устойчивость коацерватной капли в постоянно меняющихся условиях. Судьба капли определялась преобладанием одного из процессов. Академик А. И. Опарин отмечал, что в массе коацерватных капель должен был идти отбор наиболее устойчивых в данных конкретных условиях. Достигнув определенных размеров, материнская коацерватная капля могла распадаться на дочерние. Дочерние коацерваты, структура которых мало отличалась от материнской, продолжали свой рост, а резко отличавшиеся капли распадались. Естественно, что продолжали существовать только те коацерватные капли, которые, вступая в какие-то элементарные формы обмена со средой, сохраняли относительное постоянство своего состава. В дальнейшем они приобрели способность поглощать из окружающей среды лишь те вещества, которые обеспечивали их устойчивость, а также выделять наружу продукты обмена. Параллельно увеличивались различия между химическим составом капли и окружающей среды. В процессе длительного отбора (его называют химической эволюцией) сохранились лишь те капли, которые при распаде на дочерние не утрачивали особенностей своей структуры, т.е. приобрели способность к самовоспроизведению.