1944 г. О. Ю. Шмидт предложил гипотезу возникновения Земли. Земля возникла из части газопылевого облака, захваченного Солнцем. Сгущение холодного газопылевого облака привело к разогреву будущей планеты. Постепенное охлаждение привело к формированию коры. Затем наступила биогенная стадия.
1957 г. Г. Юри (лауреат Нобелевской премии за 1934 г. по химии, открыл дейтерий) предложил гипотезу возникновения Земли. Земля возникла в результате аккреции — слипания холодных твердых тел. От соударений и сжатия Земля разогрелась. Но никогда поверхность Земли не имела температуру выше 900 °С. Отсюда следует, что литосфера никогда не была полностью расплавленной, поэтому Первичный океан возник на ранних стадиях истории Земли.
Первый этап химической эволюции на Земле
Химическая эволюция — это совокупность процессов, протекавших в Космосе и на ранних этапах существования Земли, приведших к возникновению жизни. На первом этапе образовались литосфера, гидросфера, атмосфера. Литосфера возникла вследствие вулканизма. Ежегодно вулканы выбрасывают на поверхность Земли около 1 км3 вещества. За время существования Земли, при нынешней активности вулканов, было выброшено такое количество лавы, которой достаточно для образования коры Земли.
Гидросфера также создана вулканами: 3 % массы лавы составляет водяной пар. Пар конденсировался. Это привело к появлению осадков и Первичного океана. Атмосфера образовалась при дегазации лав. Вначале Земля имела первичную атмосферу. Но масса юной Земли оказалась недостаточной для удержания газов, и они улетучивались. Земля увеличила свою массу за счет космической пыли и метеоритов: на Землю ежегодно выпадает 107 кг пыли. К тому же Земля, проходя через пылевое облако, могла получать с космической пылью 1010 т органического материала. Вторичная атмосфера возникла тоже за счет дегазации лав и состояла из СО, СОз, Нз, НзО, N, МНз. Кислород появился в атмосфере благодаря фотолизу — разложению паров воды в верхних слоях атмосферы солнечными лучами. Позже обогащение атмосферы кислородом шло за счет фотосинтеза. Два с половиной миллиарда лет назад исчезли золотоураносные конгломераты, которые формируются только в отсутствии кислорода. В тот же период появляются красноцветы, образующиеся только при наличии кислорода.
Второй этап химической эволюции на Земле
На этом этапе происходило образование низкомолекулярных органических соединений (аминокислот, спиртов, углеводов, органических кислот). Жизнь на Земле основана на углеродистых соединениях. Почему именно углерод стал основой жизни? Во-первых, потому, что углерод образует соединения в виде крупных молекулярных цепочек. Во-вторых, углеродистые соединения взаимодействуют медленно. В-третьих, углерод образует сложные соединения с особой структурой, существенной для протекания важнейших жизненных процессов.
Химическая эволюция началась задолго до возникновения Земли — она началась в Космосе. В межзвездном пространстве обнаружено более 50 органических соединений. В Космосе обычен формальдегид, окись углерода, вода, аммиак, цианистый водород. Эти вещества, как показали эксперименты, могут быть предшественниками аминокислот и других органических соединений. Во внеземном пространстве обнаружены углеводороды, альдегиды, эфиры, аминокислоты, нуклеотиды, ароматические соединения. Обнаружено вещество, имеющее в своем составе 18 атомов углерода. Синтез примитивных углеводородов, начавшийся в Космосе, продолжался во время формирования Солнечной системы и Земли.
Предположения о процессах второго этапа химической эволюции имеют экспериментальное подтверждение. В 1850 г. немецкий химик А. Штеккер осуществил химический синтез аминокислот из аммиака, альдегидов, синильной кислоты. В 1861 г. А. М. Бутлеров, нагревая формальдегид в крепком щелочном растворе, получил смесь Сахаров. Д. И. Менделеев получал углеводы, подвергая карбиды действию водяного пара. Студент Чикагского университета С. Л. Миллер в 1953 г. для дипломной работы, выполненной под руководством С. Фокса, собрал специальный аппарат для проверки возможности абиогенетического синтеза органических соединений. В этом герметическом приборе в течение недели по замкнутой схеме циркулировала смесь газов, которые, по общему мнению, наиболее вероятно содержались в ранней атмосфере Земли: СН4, Н, NH4. Кипящая вода - источник водяного пара — и холодильник поддерживали циркуляцию газовой смеси. В приборе непрерывно пропускали искры при напряжении 60 тыс. вольт. После этого воду подвергли хроматографическому и химическому анализу Было обнаружено 6 аминокислот (глицин, аланин, аспаргиновая и глутаминовая кислоты и др.), мочевину, молочную, янтарную, уксусную кислоты. Всего было обнаружено 11 органических кислот.
В том, что абиогенетический синтез органики возможен, убеждает такой факт: одно извержение вулкана в настоящее время сопровождается выбросом до 15 т органического вещества. К тому же Земля, проходя через пылевое облако, могла получать с космической пылью 108 т органического материала. Все это, предположительно, могло создать тот "бульон", о котором писали А. Опарин и Дж. Холдейн.
Третий этап химической эволюции на Земле
На этом этапе происходило образование сложных органических соединений: полисахаридов, полипептидов, полинуклеотидов, липидов, липопротеинов. Образование этих полимерных молекул шло путем полимеризации микромолекул. Экспериментальных подтверждений такого процесса немного. С. Фоке нагревал смесь аминокислот до 150— 200 С0, и они полимеризовались в какие-то простые белки. Еще более эффектные результаты он получил в опытах на раскаленной лаве. В горячей воде возникшие белки образовывали мельчайшие капельки - микросферы. Голландские ученые получили карбоксильные группы кислот, аминогруппы, мочевину в гелиевом криостате, имитирующем космические условия. Молекулы цианистого водорода под действием ультрафиолетового излучения полимеризуются в молекулу аденина. Формальдегид под действием ультрафиолетовых лучей дает пентозу (пентозы сахара входят п состав ДНК и РНК). Под влиянием ультрафиолетового излучения рибоза соединяется с аденином - нуклеотиды ДНК и РНК имеют в своем составе азотистое соединение аденин. Из аденина, рибозы, фосфата под влиянием ультрафиолетового излучения возникают АМФ, АДФ, АТФ.
Третий этап химической эволюции часто называют эпохой протожизни.
Четвертый этап химической эволюции на Земле
Четвертый этап - это эпоха протобионтов — примитивных существ, которые питались готовыми органическими веществами, синтезированными в ходе предыдущих этапов. Это примитивные гетеротрофы, питающиеся "первичным бульоном". Это эпоха опаринских коацерватов. Совершенствование пробионтов предбиологическим отбором привело к возникновению организмов
Возражения против гипотезы Опарина
1. Коацерваты А. И. Опарин получал из полимеров биологического происхождения.
2. Метан первичной атмосферы в первичном бульоне под действием жесткого ультрафиолетового излучения превратился бы в слой нефти.
3. Аммиак быстро растворился бы в воде.
4. Основной запас аммиака разрушился бы под действием ультрафиолетового излучения.
5. Концентрация полипептидов и полинуклеотидов в океане не может быть большой, ибо они быстро гидролизуются после образования, а реакция полимеризации идет в кислой среде.
6. Ультрафиолет индуцирует не столько синтез, сколько распад органики.
7. Представление о "первичном густом бульоне" противоречит законам термодинамики.
8. Выяснилось, что атмосфера Земли никогда не имела восстановительных свойств, как того требуют абиогенетические гипотезы. Это связано с тем, что аммиак быстро растворяется в воде, а метановодородная атмосфера неустойчива. Сам же водород быстро бы улетел в космическое пространство.
В. И. Гольданский: "Жизнь есть форма существования биополимерных тел (систем), способных к саморепликации в условиях постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой".
Жизнь настолько сложное явление, что поддается определению лишь в самых общих чертах. Развитие биологии в XX веке позволяет заключить, что жизнь — это совокупность следующих особенностей: структурная организация (органоиды клетки), сочетание потоков материи, энергии и информации, упорядоченность в пространстве (молекулярный, клеточный, тканевой и др. уровни), упорядоченность во времени (очередность протекания этапов обмена веществ).