Тема 6. Возникновение жизни и этапы развития живых организмов

I. Теории возникновение жизни (биосферы) на Земле.

Среди главных концепций возникновения жизни на Земле можно отметить следующие:

· жизнь была создана сверхъестественным существом в определенное время (креационизм);

· жизнь возникала неоднократно из неживого вещества (самозарождение жизни);

· жизнь существовала всегда (концепция стационарного состояния).

· жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия);

· жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам (биохимическая эволюция).

Многие ученые допускают, что в течение огромного промежутка времени (около 1 млрд. лет) наша планета была безжизненной и на ее поверхности, в атмосфере и в океане происходил медленный абиогенный синтез органических соединений. Возникновение жизни из неживого (косного) вещества было химическим процессом, который осуществлялся в строго определенной последовательности и закономерности.

Воззрения немецкого естествоиспытателя и философа Эрнста Геккеля (1834-1919) стали основой истоков химической гипотезы эволюции, согласно которым под действием чисто химических и физических причин сначала появились соединения углеводов. Эти вещества представляли собой не растворы, а взвеси маленьких «комочков», способных к росту и накоплению вещества. Рост происходил до определенного предела, за которым следовало деление. В результате дифференцировки «комочков» в них возникало ядро. Появилась ядерная клетка - исходная форма для живых существ на земле.

В настоящее время наиболее широко распространенной и принятой в научных кругах считается теория биохимической эволюции, разработанная в начале ХХ века российским академиком Александром Ивановичем Опариным (1894–(18940302)1980) и, независимо от него, английским ученым-естество­испытателем Джоном Холдейном (1892–1964).

В соответствии с их представлениями: на рассвете геологической истории состоялся абиогенный синтез, то есть в первичном океане, насыщенном разными простыми химическими соединениями, «в первичном бульоне» под влиянием вулканического тепла, разрядов молний и других факторов среды осуществлялся абиогенный синтез всевозможных несложных органических соединений. Затем в следствие сложных физико-химических процессов возникла коллоидная слизь, состоящая из более сложных органических соединений и биополимеров, проявлявшая функции ассимиляции и роста.

Коллоидная слизь, или устойчивые полужидкие сгущения - коацерваты могли разрушаться, создаваться вновь, а при достижении определенного размера распадаться на дочерние образования, т.е. делиться. Отдельные «капли» могли образовывать группы (колонии).

В итоге произошел качественный скачок: сохранились лишь те «капли», которые заключали в себе материнские признаки и приобрели способность к воспроизводству. Эти «капли» смогли избирательно поглощать вещества из окружающего раствора и избавляться от ненужных соединений. Это стало началом обмена веществ и в дальнейшем привело к функциональной специализации отдельных частей коацерватов.

Считается, что с возникновением самовоспроизводства коацерватная капля превратилась в простейшее живое образование, т.е. в одноклеточный организм.

Интересна космическая (химическая) гипотеза российского геолога и минеролога Георгия Витольдовича Войткевича (1920 - 1997), согласно которой образование органического вещества происходило в космическом пространстве, которое заносилось на землю космической пылью.

Однако химическая эволюция на большинстве планет Солнечной системы как бы заморожена, и лишь на Земле оказались условия для её реализации. На первичной Земле был весь набор органических соединений, синтезированных в космосе. Разогрев планеты был, вероятно, не настолько интенсивным, чтобы разрушилась вся органика космического происхождения. Её общая масса, по подсчетам данного автора, была на два порядка выше, чем общее количество соединений углерода в наше время. В этих условиях и появилось живое вещество, которое «концентрировалось» вокруг возникших абиогенно молекул ДНК. Биохимическая эволюция в дальнейшем привела к появлению и обособлению отдельных организмов.

Противоположные представления – о необычайной длительности существования жизни на Земле высказывали В.И.Вернадский, Л.С.Берг и др. ученые.

Владимир Иванович Вернадский, предполагал, что возникновение жизни и биосферы на Земле является неизбежным следствием эволюции космоса, и в особенности присутствия простейших органических веществ во Вселенной. Неизвестно, являются ли эти молекулы продуктами абиотического синтеза или остатками погибших биосфер других планет, но присутствие органических соединений во Вселенной, по мнению В.И. Вернадского, является устойчивой и обязательной особенностью космоса.

В первые годы своей деятельности В. И. Вернадский придерживался гипотезы появления жизни на нашей планете в результате заноса микроорганизмов или спор из космического пространства (гипотезы панспермии Г.Рихтера и С.Аррениуса). Простой абиогенез ему казался невозможным.

После гипотезы А.И.Опарина о закономерном возникновении жизни в условиях восстановительной среды В.И.Вернадский, признавая возможность абиогенного зарождения жизни, считал правильным говорить о возникновении биосферы.

Идеи В.И.Вернадского:

1. Жизнь на нашей планете зародилась практически одновременно (в масштабе геологического времени) с формированием планеты.

2. Предбиологическая эволюция шла очень быстро. Формирование органических молекул, вирусов и прокариотов заняло гораздо меньше времени, чем вся последующая эволюция.

3. При образовании биосферы на земной коре происходили физико-химические явления и процессы, которые сейчас в ней отсутствуют, но которые были необходимы для самопроизвольного возникновения жизни. Однако к ним не могут относиться обычные физические, химические и геохимические процессы.

4. Жизнь не могла возникнуть и длительно существовать как один какой-либо вид организмов, из которого в дальнейшем обычным эволюционным путем появились все остальные. Имеющиеся данные о постоянстве биохимических функций живого вещества в биосфере заставляют предположить одновременное или почти одновременное образование группы простейших одноклеточных организмов, выполнявших различные биогеохимические функции. Эти функции в свою очередь и сформировали биосферу Земли.

5. Если же жизнь возникла из одной простейшей формы, то ее дробление на формы, выполняющие разные геохимические функции должно было произойти чрезвычайно быстро – вне эволюционного порядка, поскольку эволюционный процесс возможен только внутри биосферы.

6. Так как комплекс одноклеточных организмов обладает чрезвычайной скоростью размножения: в течение нескольких дней жизнь могла охватить всю поверхность планеты, образовать биосферу и дать начало процессу эволюции живых организмов.

Российский академик Лев Семенович Берг (1876—1950) в 1947 году писал:

«Действительно, вряд ли хватит трех-четырех миллиардов лет, чтобы на Земле не только зародилась жизнь, но и чтобы она могла дать начало всему тому разнообразию органического мира, какое мы встречаем в настоящее время. Вспомним, что на эволюцию одного подтипа животных – позвоночных – ушло около полумиллиарда лет. Сколько же потребовалось природе, чтобы произвести группу одноклеточных организмов, включающих в себя не только несколько типов, но одновременно животных и растения? Сколько времени нужно было, чтобы из бесформенного клочка живого вещества получил начало первичный оформленный организм?»

Поставленные вопросы не потеряли своей актуальности и в настоящее время. Дело в том, что последние данные палеонтологии, палеогеохимии, биогеохимии и изотопные исследования упорно свидетельствуют о том, что жизнь на Земле существовала практически с момента ее происхождения.

Так, следы деятельности фотосинтезирующих организмов в виде органических соединений обнаружены в темных филлитовых сланцах в Южной Африке, возраст которых 3,44 млрд. лет.

В Западной Австралии найдены древнейшие строматолиты (отложения из карбоната кальция со сложной слоистостью, в образовании которых участвовали сине-зеленые водоросли и бактерии), возраст которых оценивается около 3,5 млрд. лет.

В Западной Гренландии выявлены следы осадкообразования, указывающие на существование жизни не менее чем 4 млрд. лет назад.

В свете новых данных на смену взглядам о длительном, охватывающем около 1 млрд. лет периоде абиогенеза приходят идеи о том, что предбиологическая эволюция шла очень быстро, а этому, вероятно способствовала химическая эволюция вещества Земли и других планет Солнечной системы еще в космических условиях.

Однако, до настоящего времени упорно поддерживается представление о том, что синтез органических соединений как предшественников жизни начался в ранней атмосфере Земли, которая была насыщена смесью газов: метана, водорода, углекислоты и аммиака.

В свете современных данных космохимии – первичная атмосфера Земли содержала главным образом: пары воды, углекислоту, сероводород, азот и оксид серы. Наиболее обильным был углекислый газ, однако он не способен самопроизвольно превращаться в органические соединения. Отсутствие водорода, или его скудость, также резко снижала возможность образования органических веществ в атмосфере Земли.

Отмеченные обстоятельства говорят в пользу вывода о том, что основная масса сложных органических веществ, как родоначальников жизни образовалась за пределами Земли, в период, предшествовавший ее образованию.

В последнее десятилетие получены космохимические данные, указывающие на широкие возможности возникновения органических веществ как предшественников жизни в космических условиях. Так:

- большая часть молекул, обнаруженных в межзвездных облаках, относится к простейшим соединениям углерода;

- органические соединения достаточно большой сложности присутствуют непосредственно в телах Солнечной системы, например, в метеоритах, возраст которых оценивается около 4,5-4,6 млрд. лет (как и Земли).

- исследования последнего времени показали, что органическое вещество содержится не во всех метеоритах, а только в довольно ограниченной группе, относящейся к углистым хондритам. В них обнаружены: спирты, аминокислоты, органические полимеры, пурины и пиримидины, сернистые и хлорные соединения.

!!! Все органические соединения метеоритов - абиогенного происхождения.

В свою очередь, доказано, что метеориты – это осколки астероидов, а большинство изученных астероидов имеет состав углистых хондритов. Следовательно, они содержат много органических веществ, которые являются одной из причин их темной окраски и низкой отражательной способности.

Таким образом: данные по космохимии метеоритов и астероидов свидетельствуют о том, что образование органических соединений в Солнечной системе на ранних стадиях ее развития было типичным и массовым явлением.

Химическая эволюция (в современном видении космохимии)

↓

На последних стадиях остывания солнечной туманности (когда железа, силикаты и сульфиды конденсировались в виде пылевых частиц)

↓

Происходили процессы формирования простейших органических соединений (эти процессы протекали при температуре ниже 500 0К, когда совершались реакции меду Н2, СО и простейшими соединениями N)

↓

2СО + 2Н2 → СН4 + СО2 СО2 + 4Н2 → СН4 + 2Н2О N2 + 3Н2 → 2 NН3 (в определенных областях туманности могла возникнуть водоро-метан-аммиачная смесь газов)

↓

Катализаторами этих процессов выступали магнетит (Fe3O4) и гидратированные силикаты, которые образовались раньше. (именно на поверхности силикатных зерен и магнетита синтезировались органические соединения)

↓

Эти зерна вошли позже в состав углистых хондритов

↓

Вместе с углистыми хондритами органические соединения попали на Землю во время ее формирования

Вывод: Синтез довольно сложных органических соединений как предшественников живого вещества был закономерным этапом в химической эволюции Солнечной системы в период формирования планет. Но на сколько химическая эволюция вещества продвинулась в условиях космоса неизвестно!

М ожно предположить два пути

Химическая эволюция, начавшись в космосе, продолжалась в условиях Земли и в относительно короткие сроки привела к образованию первых примитивных организмов

Образование первых сложных молекул ДНК, лежащих в основе наследственности, произошло в космических условиях, а полная реализация возможностей ДНК наступила в первых водоемах нашей планеты, содержащих растворенные вещества.

!Но, если первые зародыши жизни и не возникли в космических условиях, то космический синтез органических веществ создал в ранней Земле неограниченную кормовую азу для первых гетеротрофных организмов, или точнее их предков.

Вывод: Первая биосфера в истории Земли носила восстановительный гетеротрофный характер.