4. Необходимые факторы возникновения жизни.

Что же надо, чтобы объяснить возникновение жизни с позиций физики и химии, какие нужны условия для появления живого из неживого? Считается, что требуются четыре основных условия: наличие определенных химических веществ; наличие источника энергии; отсутствие газообразного кислорода О₂; длительное время.

Из необходимых химических веществ вода имеется в изобилии на Земле, а неорганические соединения присутствуют в горных породах, в газообразных продуктах извержений вулканов и в атмосфере. Необходимой энергией всегда обеспечивало в первую очередь Солнце, ультрафиолетовое и другие виды излучений, затем тепло от вулканов, горячей лавы, гейзеров и от радиоактивного распада элементов земных пород, молнии.

Предполагают, что жизнь могла возникнуть, когда атмосфера Земли не содержала кислорода. Дело в том, что кислород, взаимодействуя с органическими веществами, разрушает, окисляет их и лишает тех свойств, которые делали бы их полезными для предбиологических систем. Поэтому если бы органические молекулы на ранней Земле вступали в реакцию с О₂, то они существовали бы недолго, препятствовали химической эволюции, т.е. не образовывали бы более сложных структур. В наличии атмосферного кислорода кроется одна из причин невозможности самопроизвольного зарождения жизни из органических веществ в наше время.

Из геологических данных известно, что древнейшие породы Земли образовывались в то время, когда ее атмосфера не содержала О₂, а состояла к моменту предполагаемого зарождения жизни из водяных паров, диоксида углерода и азота. В древних породах Земли находят железо в двухвалентной восстановленной форме Fe²⁺, а в более молодых породах - в трехвалентной Fe³⁺, т.е. в окисленной, которые приводили к образованию Н₂, О, СН₄, NH₃, HCN, а затем и СО, СО₂, создавая восстановительную атмосферу. Атмосферы других, самых больших планет Солнечной системы, Юпитера и Сатурна, по современным данным состоят в основном из газообразного и металлического водорода и гелия. При этом Земля не могла удержать легкий водород, он рассеивался в космическом пространстве, так же как и тот водород, который получался при разложении аммиака NH₃ под действием солнечного излучения.

Химические реакции, приводящие к образованию новых веществ, могут протекать с разными скоростями. Такие превращения первородной атмосферы Земли требовали миллионы лет. Однако с учетом предполагаемого времени образования Земли в 4,6 млрд лет простые подсчеты показывают, что даже если вероятность события, от которого зависело возникновение хотя бы однажды простейших форм жизни, составляет 0,001, то за 10000 лет оно обязательно произойдет. Поэтому как бы ни казалось маловероятным появление живых систем, времени для этого было настолько много, что на самом деле это событие стало неизбежным. Например, первые известные остатки прокариотических клеток были обнаружены в горных породах, сформировавшихся всего (!) на 1,1 млрд лет позднее образования Земли.

5. ТТеория абиогенного происхождения жизни а.И. Опарина.

В современном естествознании наиболее обоснованной выглядит теория абиогенного происхождения жизни, выдвинутая в 1923 г. российским биохимиком А.И. Опариным (1894 - 1980). Она основывается на физико-химических представлениях об условиях, имевшихся на ранней Земле, связывая их с геологической эволюцией, эволюцией химических элементов Солнечной системы, а также активностью Солнца, и удовлетворяет упомянутым выше условиям возникновения жизни. Основной идеей этой теории было обоснование того, что зарождение жизни - это длительный процесс зарождения живой материи в недрах неживой. Опарин предположил, что сложные органические соединения возникли в океане из более простых соединений. Разнообразие этих простых соединений в атмосфере и протоокеане, обилие солнечной энергии, действовавшей длительное время, привели к образованию "первичного бульона", в котором стали возникать более сложные органические соединения и конгломераты их в виде так называемых коацерватных капель. Причем это был процесс самопроизвольного превращения неорганических соединений в "кирпичики жизни" - биомолекулы: аминокислоты, нуклеотиды, полисахариды и т.д., которые мы более подробно рассмотрим дальше. "Коацерватная" идея А.И. Опарина об абиогенном, т.е. небиологическом, происхождении преджизненных форм материи, возникновении под действием электрических разрядов и коротковолнового излучения органических молекул без участия живых организмов была экспериментально доказана американским ученым С. Миллером в 1953 г. Удалось создать сходные условия при наличии электрических разрядов в атмосфере смеси метана, аммиака и воды. В результате реакции появились некоторые вещества, которые входят в состав живых организмов: аминокислоты, глутаминовые кислоты и простые сахара, а впоследствии и нуклеиновые кислоты. Появилась "жизнь в пробирке"! Органические соединения должны были возникать в этих восстановительных условиях при наличии энергии и вдали от равновесия.

Процесс биохимической эволюции по Опарину можно представить в виде нескольких этапов:

Переход воды в процессе охлаждения Земли из парообразного состояния в жидкое, образование раздельных атмосферы и гидросферы и последующая их эволюция. При этом шел синтез простейших неорганических соединений.

Образование из неорганических соединений (Н₂, О₂, СО₂,NH₃ и СН₄) органических и накопление их в первичном океанов результате энергетического воздействия Солнца, электрических разрядов, космического излучения.

Постепенное усложнение органических соединений и образование белковых структур.

Выделение белковых структур из среды, образование гидрофильных комплексов и создание вокруг белков водной оболочки. Эти комплексы, согласно терминологии Опарина, и образуют коацерваты, составные части которых (полипептиды, полинуклеотиды) выработали способность обмениваться энергией и веществом с отделенной от них окружающей средой и резко увеличивать скорость биохимических реакций. Это в дальнейшем привело к ускорению темпов в целом всей эволюции живого во времени. Так, от протобионтов до появления аэробов (организмов, существующих в кислородной среде, "питающихся" кислородом О₂) потребовалось 3 млрд. лет, до образования растений и животных -500 млн. лет, птиц, млекопитающих и первых позвоночных - около 100 млн. лет, приматов – 12-15 млн. лет, человека - 3 млн. лет. Здесь свою роль сыграли и многие другие факторы, в частности законы естественного отбора и приспособляемости живых организмов к изменяющимся условиям внешней среды, а на уровне "химии жизни" - появление ферментов и автокаталитических реакций. В результате образования гидрофобных липидных границ между коацерватами и внешней средой создание полупроницаемых мембран, обеспечивающих стабильность функционирования коацервата.

Связывание друг с другом нуклеотида коацерватов по принципу дополнительности с образованием цепи молекул. Обеспечение эволюции сложных соединений путем саморегуляции.

Появление возможности самовоспроизводства при возникновении генетического кода. Предполагают, что таким образом образовалось живое вещество. Согласно концепции В.И. Вернадского (1978,1986), в образовавшейся биосфере есть косное вещество, которое остается неизменным, и живое вещество, изменяющееся в процессе эволюции. Живое вещество влияет на ход эволюции. Современные условия жизни на Земле в значительной степени созданы жизнедеятельностью организмов. Так, практически весь кислород, содержащийся в атмосфере Земли в настоящее время, - это продукт фотосинтеза, происходящего в живых организмах - растениях.

В.И. Вернадский связывал возникновение жизни с гигантским скачком (бифуркацией - в рамках синергетики), который прервал безжизненную эволюцию земной коры и внес в нее столько противоречий, что они смогли породить жизнь, "не как возникновение какого-то отдельного живого организма, а именно их совокупности, отвечающей геохимическим требованиям жизни". Коацерваты как предвестники в дальнейшем клетки живого организма смогли уже "жить сами по себе": увеличиваться в размерах, делиться на части, обмениваться энергией и веществом с окружающей средой, участвовать в химических реакциях и т.д.

В результате этого возник первичный круговорот веществ в природе, связанный со взаимным адиабатическим обменом органических веществ в процессах их синтеза и распада. При этом уже можно считать, что шел процесс естественного отбора и на этом уровне более устойчивые соединения сохранялись, а малоустойчивые распадались. В процессе отбора оставались такие коацерваты, которые не теряли структуры даже при своем делении, что характеризует самоорганизацию и самопроизводство. Если при этом в коацерват попадала молекула, также способная к воспроизведению, и происходила перестройка оболочки коацервата, то могла образоваться простейшая живая клетка, а из нее при получении энергии и вещества из первичного бульона - развиться и простейший организм.

А. И. Опарин считал, что когда в процессе этого обмена и химических реакций появились нуклеиновые кислоты, процесс химической эволюции как борьбы протобионтов закончился. Переход к живому осуществлялся, когда на "смену соревнованию в скорости роста приходила борьба за существование". При появлении надежного механизма воспроизведения генетической информации процесс непосредственного возникновения жизни завершился, эра химической эволюции закончилась, началась эра биологической эволюции, время естественного отбора. В этих условиях уже недостаточно было просто выжить, нужно было быть способным получать энергию наиболее эффективно и оптимально ее использовать для своего развития.