Опыты Миллера

Первые эксперименты, моделирующие первичную атмосферу Земли, были поставлены в 1953 г. американским ученым Стэнли Миллером (род. в 1930 г.). Его установка представляла собой колбу, внутри которой создавались электрические разряды. В колбе находилась вода и различные газы, предположительно входящие в состав первичной атмосферы (водород, метан, аммиак и др.). Свободный кислород в системе отсутствовал. При нагревании в установке происходила постоянная циркуляция водяного пара и газов. После нескольких дней эксперимента в колбе образовывались простейшие органические соединения: аминокислоты (строительный материал для белков), азотистые основания (компоненты нуклеиновых кислот) и некоторые другие вещества. Их концентрация возрастала по мере убывания исходных компонентов.

Вслед за опытами Миллера последовали другие эксперименты. Варьировался состав исходной смеси, источники энергии, длительность опытов, вводились различные катализаторы. Было показано, что подобные реакции происходят даже при обычном нагревании, при этом среда может быть как водной, так и безводной.

Биогенез

Разнообразие экспериментов позволяет предположить, что неорганический синтез органических соединений мог быть достаточно распространенным явлением в прошлом нашей планеты. При этом в качестве исходной среды для подобных процессов рассматривались различные природные системы. Так, академик А. И. Опарин считал, что такие реакции происходили в морях и океанах и сопровождались увеличением концентрации образующихся органических веществ, при этом водная среда становилась «первичным бульоном», способным к дальнейшей эволюции.

Однако образование органических молекул и их полимеризация являются только началом в длинной цепочке эволюции, которая привела к появлению первых живых клеток, поскольку отдельно взятый белок еще не обладает специфическими свойствами, присущими организму в целом. Поэтому на смену химической эволюции должна была прийти биологическая.

Процесс возникновения и эволюции живых систем называется биогенезом.

Рассмотренный выше неорганический синтез органических соединений является начальной стадией биогенеза.

Последующие этапы эволюции

Согласно гипотезе А. И. Опарина, предками настоящих клеток были протоклеточные структуры, способные к простейшему обмену с окружающей средой. Они образовывались по мере накопления в исходной среде органических молекул. Этот процесс называется коацервацией, т.е. объединением в небольшие комплексы, называемые коацерватами (от латинского coacervus – сгусток). Механизм коацервации связан с поляризованностью молекул многих органических веществ. Взаимодействие нескольких таких молекул приводит к сближению их полярных концов и образованию «коацерватной капли».

Возникающие коацерваты обладали значительно бóльшими возможностями, чем отдельные молекулы, поскольку могли поглощать из окружающей среды другие вещества. Если вещество оказывалось вредным, коацерват распадался, а если оно усваивалось, коацерват увеличивался в размерах и изменял свою структуру. Этому способствовало появление примитивных мембран, роль которых играли липидоподобные соединения. К ним относятся поверхностно-активные вещества, которые в силу полярности своих молекул стремятся образовывать мономолекулярные пленки на поверхности раздела двух сред. Мембраны не только выполняли защитные функции, но и способствовали дальнейшему обособлению коацерватов от окружающей среды и сохранению постоянства своего внутреннего состава.

В ходе химической эволюции коацерваты при увеличении своих размеров приобрели способность распадаться на дочерние капли, сохраняющие особенности и химический состав материнского комплекса. Параллельно шла дифференциация свойств молекул внутри коацерватов: белки оказались способными регулировать ход химических реакций, приводящих к появлению новых органических веществ, а нуклеотидные цепи постепенно приобрели возможность удваиваться по принципу дополнения. Дальнейшая эволюция этих важнейших свойств привела к появлению наследственного генетического кода, несущего информацию о строении белковых молекул. Таким образом, развитие коацерватов привело к появлению первых примитивных прокариотических клеток. Это произошло более 4 млрд. лет назад.

Прокариотические клетки – примитивно устроенные клетки, не имеющие клеточного ядра, генетический материал (ДНК) которых находится прямо в цитоплазме.

Эти клетки типичны для организмов – прокариотов, к которым в настоящее время относятся некоторые бактерии и сине-зеленые водоросли.

Прокариоты были гетеротрофами, т.е. в качестве источника энергии использовали органическое вещество первичного бульона. Они существовали в условиях бескислородной атмосферы, поэтому их метаболизм был анаэробным.

Анаэробный метаболизм – обмен веществ и энергии, протекающий в отсутствие атмосферного кислорода.

Постепенно запасы органических веществ, необходимых для питания, истощались, и у некоторых клеток возникла способность использовать солнечную энергию для синтеза органических веществ из неорганических соединений углерода. Так появились автотрофы – организмы, способные к фотосинтезу.

Фотосинтез – процесс преобразования солнечной энергии в энергию химических связей органических веществ.

Источником углерода, входящего в состав органических молекул, служит углекислый газ. В качестве источника водорода зеленые растения используют воду, при разложении которой в атмосферу выделяется кислород.

Сначала фотосинтез шел без образования молекулярного кислорода. В ходе дальнейшей эволюции организмы стали выделять кислород. Это произошло около 4 млрд. лет назад.

Обогащение атмосферы свободным кислородом привело со временем к образованию озона, поглощающего коротковолновое ультрафиолетовое излучение, опасное для живых организмов. Кроме того, возник аэробный способ метаболизма – дыхание, при котором расщепление органических веществ происходит с участием кислорода. Он характерен для большинства современных растений, животных и микроорганизмов. Энергетический выход таких реакций в несколько раз больше, чем в реакциях брожения (например, расщепление глюкозы при брожении дает энергию 50 кал/моль, а при дыхании – 686 кал/моль).

В дальнейшем происходило усложнение клеточного строения и около 2 млрд. лет назад появились первые эукариотические клетки.

Эукариотические клетки – сложные клетки, имеющие ядро и большое число внутриклеточных структур (митохондрии, хлоропласты и пр.).

Эукариотические клетки характерны для организмов – эукариотов, к которым относится большинство современных форм жизни.

Был предложен механизм возникновения эукариотов на основе симбиоза гетеротрофной анаэробной клетки и клетки, способной к дыханию. Затем, к поверхности клетки присоединилась жгутикоподобная бактерия, что привело к увеличению подвижности организма, предка современных жгутиковых простейших. Это были первые животные клетки.

Следующим эволюционным шагом в развитии организмов стало появление многоклеточных форм жизни примерно 1,3 млрд. лет назад. По мнению известного русского биолога И. И. Мечникова (1845 – 1916), первые многоклеточные произошли от колониальных простейших – жгутиковых. В некоторых таких колониях реализуется примитивное функциональное разделение клеток (клетки, поглощающие добычу и клетки, отвечающие за размножение), но при этом каждая клетка является отдельной особью. В процессе своего развития отдельные виды колоний одноклеточных простейших превратились в примитивные, но целостные организмы.