Основные этапы биохимической эволюции жизни.
Абиогенное образование простых органических соединений из неорганических. Начальный этап существования Земли отличался интенсивными термоядерными процессами, высокой температурой и химической активностью. Образовавшиеся при этом газы (NH3, CH4, CO2) и водяной пар под огромным давлением извергались на поверхность и создавали первичную (бескислородную) атмосферу Земли.
На первобытной Земле последовательно протекали следующие процессы. Изначально планета характеризовалась очень высокой температурой (4000 - 8000°C). При постепенном снижении температуры вследствие вращения атомы тяжелых элементов перемещались к центру, атомы легких элементов (H, O, C, N) концентрировались в поверхностных слоях. При дальнейшем охлаждении Земли появились химические соединения - H2O, CH4, CO2, NH3, HCN (цианистый водород) и образовалась первичная атмосфера Земли, имеющая восстановительный (бескислородный) характер. Инертные легкие газы – гелий, неон, аргон, водород, кислород, азот – уходили из атмосферы, еще не удерживаясь слабым гравитационным полем планеты. При дальнейшем снижении температуры произошел переход ряда газообразных соединений в жидкое и твердое состояние и образование земной коры из углерода и тугоплавких металлов. При температуре поверхности Земли ниже 100°C происходило сгущение водяных паров, длительные ливни с грозами и образование больших водоемов – образовался первобытный океан. В результате вулканической активности происходил вынос на поверхность Земли раскаленной лавы, содержащей карбиды – соединение металлов с углеродом, при взаимодействии их с водой – образование углеводородов. Протекание в горячей воде химических реакций с участием растворенных углеводородов и газов – аммиака, углекислого газа, цианистого водорода привело к накоплению в большом количестве (1016 кг) простейших органических соединений на поверхности молодой планеты.
Возникновение сложных органических соединений – биополимеров. В водах первичного океана в бескислородных условиях при высокой температуре, за счет энергии электрических разрядов гроз, ультрафиолетовых излучений и вулканической деятельности (с учетом большой площади поверхности Земли и масштабов времени) произошло образование концентрированного «органического бульона». Из растворенных в горячей воде неорганических веществ абиогенным путем возникли различные простые органические соединения (сахара, аминокислоты, азотистые основания и др.). Взаимодействуя друг с другом, органические вещества образовывали биополимеры – сложные органические вещества – углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.
Возможность таких процессов доказана экспериментально опытами Стенли Миллера (1953), Орджелла, А.М. Бутлерова и других по синтезу органических соединений из неорганических веществ при имитирующих условиях первобытной Земли. В специальной установке были смоделированы условия первобытной Земли (смесь газов: аммиак, метан, водород, вода, углекислый газ + температура 70 - 80°C + давление нескольких атмосфер + электрические разряды напряжением 60000В + УФ-лучи), в которых могли синтезироваться сложные органические вещества. Так, были синтезированы 15 аминокислот, аденин, рибоза, простые нуклеиновые кислоты. Однако в природе все молекулы аминокислот являются левосимметричными (L – формами), тогда как в условиях искусственного синтеза случайным образом половина аминокислот оказывается D – формами (правосимметричные), а половина – L – формами.
На определенном этапе химической эволюции Земли начинал накапливаться кислород в результате разложения воды под действием УФ света (фотолиз воды), в течение 1 – 1,2 млрд. лет формировалась вторичная окислительная атмосфера Земли, состоящая на 20% из кислорода, впоследствии вызывающего окисление восстановительных соединений (2,5 млрд. лет назад произошел переход от брожения к дыханию).
Формирование мембранных структур и первичных организмов.
Химическая эволюция в дальнейшем шла по пути образования мономолекулярных комплексов – коацерватов (белковых скоплений). Происходили процессы концентрации, смешивания и объединения белковых молекул в океане в мелкие обособленные структуры раствора – коацерваты – коллоидные сгустки, отделенные от водной среды. Коацерваты имели сложную организацию и обладали свойствами простейших живых систем. В коацерватах протекали следующие биологические процессы:
Поглощение веществ из окружающей среды, накопление веществ и рост (коацерваты имели примитивные биомембраны – агрегаты белков и липидов, ограничивающие вещество от среды и придающие прочность упаковки молекул, стабильность, избирательное поглощение веществ).
Распад веществ и выделение продуктов обмена в среду;
Фрагментация и развитие.
«Коацерватные капли» были способны захватывать из окружающей среды – питательного бульона, различные вещества и увеличиваться в размерах. Эти вещества вступили во взаимодействие, а крупные капли распадались на мелкие капельки, которые в свою очередь могли расти, и т.д. Среди коацерватных капель шел своего рода «отбор» наиболее устойчивых к окружающей среде.
Следующий этап – превращение коацерватов в первые живые существа. В коацерватах случайно оказались вместе независимо возникшие простые белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и липиды. Благодаря высокой концентрации этих веществ и близкому расположению их молекул в «коацерватных каплях» могли осуществляться интенсивные процессы взаимодействия веществ. Момент возникновения жизни связан с включением в состав коацервата молекул РНК, ДНК, преобразованием информации ДНК в структуру белка при условии самовоспроизведения всей комплексной системы ДНК – белок (возможность матричного синтеза белка).
Таким образом, возникновение простейшей формы живого (примитивного самовоспроизводящегося гетеротрофного организма) связано с возникновением у коацерватов способности к самовоспроизведению и саморегуляции синтеза органических веществ. Автокаталитический механизм репликации ДНК и синтеза белка, т.е. циклическая система, в которой продукт реакции одновременно является и ее катализатором или исходным реагентом усложняется с появлением специальных белковых катализаторов – ферментов и формированием генов.
Однозначного объяснения качественного скачка от неживого к живому (клетке) на сегодняшний день нет. Американский астроном Фред Хойл считает, что возникновение живого в результате случайных процессов равносильно тому, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке новенького Боинга – 747. Расчеты показывают, что вероятность получения хотя бы 100 ферментов (всего известно около 3 – 4 тыс. разновидностей ферментов) составляет 201000, что превышает число атомов во всех звездах Вселенной.