2.3. Химическая эволюция на Земле.

Пожалуй самое удивительное в эволюции жизни на Земле - это то, как быстро она происходила. Земля, как полагают, образовалась приблизительно 4,5 млрд лет назад, а первые известные нам остатки живых организмов известны из южноафриканских осадочных пород (месторождения Фиг-Три и Онвервах в Южной Африке), сформировавшихся на 1,1 млрд лет позднее. Это то, что относится к категории фактов, а далее мы снова ступаем на зыбкую почву гипотез.

Согласно теории панспермии жизнь могла распространяться во Вселенной в виде спор микроорганизмов. Довели до логического конца эту гипотезу Фрэнсис Крик и Лесли Оргель. По их мнению Земля и возможно другие первоначально лишенные жизни планеты могли быть "засеяны" намеренно какими-то разумными существами. Такая "направленная панспермия" могла бы, по их мнению, объяснить почему молибден - довольно редкий на Земле элемент, совершенно необходим земным живым существам как составная часть многих важных ферментов. И хотя на данном этапе мы не можем однозначно отвергнуть теорию панспермии, она в сущности не имеет прямого отношения к обсуждаемой проблеме потому, что более строго вопрос можно сформулировать следующим образом: каким образом могла возникнуть и эволюционировать жизнь на планете, сходной с нашей Землей?

Кроме того, недавно вроде бы показано, что накопление молибдена, никеля, меди, ванадия и других микроэлементов в первичном органическом веществе могло происходить в условиях Земли под действием тепловых потоков за счет термодиффузии (Gaeta et al., 1987).

Отвечая на этот вопрос мы должны отметить, что прежде всего для образования живого необходимо было достаточное количество органического вещества. И в этом плане привлекательна гипотеза Джона Бернала, по которой первичная космическая пыль могла служить источником первичного органического вещества. Согласно взглядам английского биохимика, главными компонентами твердой части пыли служат силикаты (в частности силикаты магния), а так же металлическое железо с примесью никеля. Каждая частица, по-видимому, была окружена слоем льда. Во внешних участках Солнечной системы в те времена, когда Солнце занимало больший объем и было холоднее чем теперь должна была происходить конденсация газов на пылевых частицах, в частности газообразных цианов и углеводородов. Большая часть этих газов в последствии, по мере возрастания температуры, испарилась, но некоторая часть полимеризовалась в менее летучие соединения - азотисто-углеродные соединения. Вполне логично предположить, что частицы силикатов или железа, окруженные оболочкой из воды и органических соединений, могли объединяться друг с другом. Хотя эта гипотеза снимает проблему слишком быстрого накопления органического вещества, необходимого для начала образования жизни на Земле, она отнюдь не бесспорна.

На вторую часть вопроса – Как возникла жизнь пытается ответить гипотеза Опарина-Холдейна. Но прежде чем перейти к изложению самой гипотеза позвольте напомнить одну истину, которую мы склонны забывать - кислород это ядовитый, все разъедающий газ. Наш организм как и подавляющее большинство прочих защищены от него различными сложными химическими и физическими механизмами. Наиболее древние из существующих организмов - анаэробные бактерии таких защитных систем лишены. Для них кислород не только бесполезен, для них он смертельно опасен. Отсюда следует простой, но крайне важный вывод, что жизнь зарождалась тогда, когда атмосфера Земли была полностью лишена кислорода и живого, способного быстро поглощать органическое вещество. Это две важнейшие причины по которым жизнь могла зародиться в далеком прошлом и почему это событие не может произойти сейчас.

Какие же химические элементы легли в основу живой материи? Оказывается основу живого вещества составляют наиболее простые и наиболее распространенные в космосе элементы. Они удовлетворяют следующим требованиям:

- это чрезвычайно распространенные химические элементы,

- они должны обладать способностью образовывать сложные соединения. Именно легкие элементы удовлетворяют обоим этим требованиям. Они характеризуются малым числом электронов и разнообразием молекулярных структур, в которых они могут принимать участие. Среди четырех главных элементов - C, O, N и H, особое место принадлежит углероду благодаря разнообразию и сложности соединений, которые он образует с атомами водорода, азота и кислорода. Характерной особенностью таких соединений является также наличие многократно повторяющихся связей С-С, что обуславливает возможность возникновения сложных полимеров. Два других химических элемента - P и S, занимающие место в третьем периоде таблицы Менделеева, так же обладают способностью образовывать кратные связи. По мнению Американского биохимика Дж. Уолда (1964), это делает их особенно пригодными для накопления энергии и ее переноса строго дозированными порциями.

Часто, особенно в популярной литературе, обсуждается вопрос о возможности развития жизни на основе других химических элементов. В частности, дебатируется проблема замены углерода кремнием, а воды аммиаком. Дж. Уолд категорически отрицает обе эти возможности. Да, атомы кремния способны соединяться друг с другом, образуя длинные цепочки. Однако эти цепочки неустойчивы в присутствии воды, аммиака и кислорода. Так как жизнь без воды, по-видимому, невозможна, кремний не может заменить углерод. Во всяком случае в сходных с земными условиях.

Что же представляла из себя первичная атмосфера Земли? Современные атмосферы самых больших планет Солнечной системы состоят из водорода, воды и аммиака. По-видимому, в первичной атмосфере содержались и углеродсодержащие газы, поступающие из недр планеты через многочисленные разломы и вулканы. Опарин в 1924 году, а вслед за ним и Холдейн, предположили, что за счет поступления энергии в условиях молодой Земли из простейших химических веществ, присутствовавших в атмосфере, образовывались сложные органические вещества, которые поступали в первичный океан. В океане они накапливались постепенно образуя "первичный бульон". Проверкой этой гипотезы занялся в 1953 году Миллер (рис.), положивший начало целой серии экспериментальных работ, в результате которых были получены все необходимые для формирования живого организма органические вещества. При этом в принципе не важно откуда бралась энергия. Результаты экспериментов были весьма схожими, при использовании в качестве источников энергии электрических разрядов, ультрафиолетового излучения, космических лучей, радиации или тепла.

Однако это был не единственный путь поступления органического вещества. Сейчас накопилось достаточно сведений о том, что такие вещества как аммиак, синильная кислота, формальдегид, метилцианид широко распространены в межзвездном пространсве. Предшественники аминокислот найдены в метеоритах и лунном грунте. Все это заставило А.И. Опарина в 1975 году признать, что "Земля уже при самом своем образовании получила эти вещества, так сказать, в "наследство" от космоса". "Наследство", же согласно Дж. Берналу, локализованное на небольших глубинах земной коры выдавливалось в верхние слои в виде газов или жидкости. По-видимому, эти материалы могли служить достаточным источником углеродсодержащих веществ для атмосферы, если же это были водорастворимые вещества они непосредственно включались в "первичный бульон".

Формированием "первичного бульона" завершается первая стадия биопоэза, или стадия "Возникновения биологических мономеров", как ее назвал Дж.Бернал.

Вторая стадия связана с синтезом биологических полимеров. При реконструкции событий связанных с этим этапом мы сталкиваемся с максимальными трудностями при минимальной возможности наблюдать и экспериментировать.

Наиболее существенная проблема возникает, как кажется, в связи с тем, что "первичный бульон" был слишком разбавленным. Дальнейшая полимеризация могла идти только при уменьшении разбавленности раствора (так как избыток воды способствует скорее разрушению полимеров, чем их созиданию). Наиболее обычная форма концентрации раствора - испарение. Если такая концентрация происходила с небольшим водоемом, то в силу самого этого факта она была мало эффективной, поскольку в каждом водоеме эволюция жизни должна была идти сама по себе. Поэтому человеческая мысль предложила другую модель - прибрежная полоса эстуариев заполняемых во время прилива. Во время отлива происходит интенсивное испарение из этой закрытой системы, что приводит к полимеризации. Прилив все смывает в океан и так далее. Однако в связи со специфическим устройством древних материков, когда обширные прибрежные части были заняты довольно ровными участками, и эта гипотеза кажется мало убедительной. В связи с чем предлагались и другие возможные механизмы конденсации.

Например, Дж.Бернал предполагал, что конденсация началась на частицах ила или почвы. Согласно гипотезе "дрейфующей пены" вещества концентрировались на поверхностной пленке воды (что-то типа нефтяной пленки), ветром пленки сносило в одно место создавая достаточную концентрацию органики. В последнее время все больше говорят о возможной роли гидротерм в процессах синтеза (Baross, Hoffman, 1986) и полимеризации (Nickerson, 1984) органических веществ.

Итак, около 4,5 млрд лет назад на Земле создались космические, планетарные и химические условия для более специализированного пути эволюции - развитии материи в направлении живой материи.

Список литературы.

Бернал Дж. Возникновение жизни. - М.: Мир, 1969. - 392 с.

Дикерсон Р.Е. Химическая эволюция и происхождение жизни// Эволюция. - М.: Мир, 1981. - С. 67-107.

Камшилов М.М. Эволюция биосферы. - М.: Наука, 1979. - 256 с.

Опарин А.И. Возникновение жизни на Земле. - М.: Изд-во АН СССР, 1957.

Опарин А.И., Фесенко В.Г. Жизнь во Вселенной. - М.: Изд-во АН СССР, 1956.

Фолсом К. Происхождение жизни. - М.: Мир, 1982. – 160 с.

Чернин А.Д. Звезды и физика. - М.: Наука, 1984. - 160 с.

Общая биология

Лекция 3.