(В расшифровке и применении терминов биогенез и абиогенез есть коварная “подводная” часть – не раскрыта в необходимой полноте суть понятий живого и неживого).

Гипотезы химической эволюции должны объяснять следующие моменты эволюции:

- Появление на Земле условий для возникновения в абиогенных процессах веществ, необходимых и достаточных для начала химической эволюции, в частности - больших объёмов и значительного разнообразия углеродсодержащих молекул.

- Появление из таких молекул устойчивых замкнутых агрегатов, позволяющих выделиться из окружающей среды с возможностью избирательного обмена с ней веществом и энергией.

- Проявление в таких агрегатах движения (в различных формах), приводящего в итоге к саморепликации (самовоспроизводству) и созданию химических информационных систем, то есть — возникновение элементарных единиц наследственного кода.

- Появление взаимосвязи и взаимозависимости между белками и функциями ферментов с носителями информации (РНК, ДНК), то есть — возникновение кода наследственности как необходимого условия для начала следующего этапа - биологической эволюции.

Дополнительно. Имена

Большой вклад в прояснение перечисленных вопросов сделали следующие учёные:

- А. Опарин в 20-х годах XX века высказал гипотезу относительно того, что в растворах высокомолекулярных соединений могут самопроизвольно образовываться зоны повышенной концентрации (коацерватные капли, или коацерваты), которые относительно разделены с внешней среды, но могут поддерживать с ней обмен. По существу Опарин доказывал начальную возможность абиотического возникновения клеток.

- Г. Юри и С. Миллер в 1953г. заявили о возможности возникновения биомолекул в модели древней атмосфере. Экспериментально осуществлён абиогенный синтез аминокислот и других органических веществ в условиях, подобных условиям первобытной Земли.

- С. Фокс: Экспериментально осуществлен синтез микросфер из протеноидов.

- Т. Чек и С. Алтман (США) в 1981г. осуществили автокаталитическое РНК-деление (как основной акт передачи информации).

- У. Гилберт (Кембридж) В 1986г. разработал модель мира, в котором вечность жизни поддерживается с помощью РНК.

- Гюнтер фон Кидровски (Германия) представил в 1986 году первую самореплицирующуюся систему на основе ДНК, что явилось важным вкладом в понимание механизма и функций самореплицирующихся систем

- Ю. Ребек (Кембридж) создал искусственную молекулу (Aminoadenosintriazidester), которая самореплицируется в растворе хлороформа. Недостаток – искусственные молекулы представляют собой точную копию исходного образца, поэтому эволюция для этих молекул невозможна.

- Д. Корлис (НАСА) установил, что термальные источники морей поставляют энергию и химикалии, которые делают возможными независимую от космической среды химическую эволюцию. В настоящее время они продолжают оставаться средой жизни для первоначальных по многим признакам археобактерий (архей).

- Г. Вэхтерсхойзер (Мюнхен) осуществил создание первых самореплицирующихся структур с обменом вещества по поверхности пирита (сульфида железа). На растущих и затем распадающихся кристаллах пирита эти системы могли расти, размножаться и взаимодействовать со средой.

- А. Г. Кайрнс-Смит (университет Глазго) и Д.К. Майерцалл (Рокфеллер - центр, Нью-Йорк) высказали гипотезу (с частичным подтверждением) относительно алюмо-силикатных (глиняных) матрицах, также подчиненных химической эволюции. На минеральных матрицах возникают самореплицирующиеся кристаллы, взаимодействующие с помощью слабых полей с органическими молекулами. Эти органические соединения становятся все более сложными, и синтезируют биомолекулы до тех пор, пока не смогут размножаться без помощи глиняных минералов.

- В. Вайганд, М. Дерр и др. (Институт Макса Планка, Йена) показали в 2003г., что сульфид железа может катализировать синтез аммиака из молекулярного азота.

И, наконец, американские биологи в 2008 г. сделали важный шаг к пониманию начальных этапов зарождения жизни. Им удалось создать «протоклетку» с оболочкой из простых липидов и жирных кислот, способную втягивать из окружающей среды нуклеотиды — «кирпичики», необходимые для синтеза ДНК.

4-й этап эволюции

Считается, что жизнь на Земле возникла тогда, когда возраст планеты исчислялся сотнями миллионов лет; считается также, что носителями жизни в ту отдаленную эпоху являлись одноклеточные, лишенные клеточных ядер организмы — бактерии, вирусы и сине-зеленые водоросли.

Живое даже в самом простейшем виде наверняка представляло собой морфологически завершенную, сложную как по строению, так и по функциям структуру, т.е. – организм. Сейчас путем реконструкции невозможно ответить на вопрос, как выглядел самый первый организм, появившийся на Земле.

Изначальным биологическим предком, от которого берут начало три основные ветви древа жизни, считают следующие формы:

- Прокариотные (доядерные) одноклеточные организмы, не имеющие выраженного ядра и органелл (бактерии).

- Эукариоты, клетки которых имеют оформленное ядро, содержащее генетический материал, и специализированные органеллы: митохондрии, вырабатывающие энергию, вакуоли и др. К эукариотным организмам относятся водоросли, грибы, растения, животные.

- Археи (архебактерии) – одноклеточные организмы, клетки которых имеют отличающуюся химическую структуру липидов. Вероятно, они являются самыми близкими родственниками самых древних форм жизни на Земле. Многие архебактерии способны выживать в критических условиях. Так, термофилы обитают в горячих источниках с температурой около 100 °С. Метаболизм архей был основан на потреблении железа, серосодержащих веществ, ряда химических соединений, токсичных для других форм жизни. Это послужило основой гипотезы о возникновении жизни на дне океана вблизи горячих источников, извергающих потоки, богатые металлами и высокоэнергетическими веществами около 4…5 млрд. лет тому назад.

Взаимодействуя друг с другом и с водой праокеана, вступая в самые разнообразные химические реакции, эти соединения дали начало принципиально новым молекулам. Так, в течение десятков миллионов лет в этой “химической кухне” протекала эволюция жизни.

Описанные явления относятся к докембрийскому периоду. Всплеск эволюции, давший начало многоклеточным организмам, произошел гораздо позже, около 0,5 млрд. лет назад.

Считается, что первоначально в земной атмосфере и Мировом океане не было свободного кислорода, и в этих условиях жили и развивались лишь анаэробные микроорганизмы.

Особым шагом в эволюции живого было возникновение фотосинтезирующих бактерий, которые, используя энергию света, превращали углекислый газ в углеводные соединения, служащие пищей для других микроорганизмов. Останки цианобактерий – первых фотосинтезирующих микроорганизмов имеют возраст около 3,46 млрд лет. Если первые фотосинтезирующие бактерии выделяли метан или сероводород, то появившиеся однажды мутанты начали вырабатывать в процессе фотосинтеза кислород, который стал медленно заполнять атмосферу Земли.

О былом господстве анаэробных (живущих в кислородной среде) микроорганизмов и цианобактерий свидетельствуют строматолиты, встречающиеся в мелководных прибрежных акваториях не загрязненных соленых водоемов. Строматолиты по форме напоминают большие валуны; чаще всего они состоят из карбоната кальция, поскольку карбонатный тип осадконакопления в море наиболее распространен. В иных гидрохимических условиях формируются строматолиты фосфатные, кремнеземовые, железистые и пр.

С биологической точки зрения строматолиты представляют собой сообщество микроорганизмов, живущее в пористых породах, образовавшихся в результате их жизнедеятельности. На глубину нескольких сантиметров от поверхности строматолиты насыщены микроорганизмами: в самом верхнем слое обитают фотосинтезирующие цианобактерии, вырабатывающие кислород; глубже обнаруживаются бактерии, которые до определенной степени терпимы к кислороду и не нуждаются в свете; в нижнем слое присутствуют бактерии, которые могут жить только в отсутствие кислорода. Расположенные в разных слоях, эти микроорганизмы составляют систему, объединенную сложными взаимоотношениями между ними, в том числе - пищевыми. За микробной пленкой обнаруживается порода, образующаяся в результате взаимодействия остатков отмерших микроорганизмов с растворенным в воде карбонатом кальция.

Итак, строматолитовый пористый мат (матрикс) представляет собой высокоинтегрированное сообщество бактерий с чрезвычайно сложно организованной трофической структурой. Два верхних слоя составлены продуцентами и консументами первого порядка (“растениями” и “травоядными”), соединенными в пищевую цепь пастбищного типа, а нижний слой сформирован редуцентами (“падалыщиками”), получающими органику из верхних слоев.

Исследования показали, что мат является одной из самых сбалансированных экосистем: он производит ровно столько органики и кислорода, сколько тут же расходует в процессе своей жизнедеятельности, а ведь замкнутость геохимических циклов - это главное направление в эволюции биосферы.

Можно сказать, что в мате ничто не пропадает - даже энергия солнечного света. Фотосинтезирующие бактерии подкладки имеют пигменты, позволяющие им поглощать свет из иной части спектра, чем их “коллеги’’ - цианобактерии из вышележащего слоя. Таким образом, поверхность роста становится для жителей подкладки как бы прозрачной, что позволяет утилизовать всю поступающую световую энергию. Более того, поскольку солнечный спектр меняется в течение дня (“покраснение” Солнца на восходе и закате), для улучшения использования энергии в мате происходят упорядоченные вертикальные миграции - смена горизонтов, занимаемых бактериями с разными типами пигментов.