образования белковоподобных молекул в условиях первичной Земли.
Опыт Миллера обогатил науку и послужил сильным толчком к новым исследованиям.
Т. Павловская и А. Паскинский в Институте биохимии АН СССР своими опытами и
термодинамическими расчетами доказали возможность образования сложных
органических веществ в условиях первичной Земли. А.Уилсон, добавляя серу к
исходной смеси Миллера, получил крупные полимерные молекулы с 20 и более
атомами углерода. С. Поннамперума использовал в опытах ультрафиолетовую лампу
как источник энергии — ведь в условиях молодой Земли ультрафиолетовое
излучение давало основную энергию. Поннамперума сумел получить не только
аминокислоты и пурины (строительные блоки соответственно для белков и
нуклеиновых кислот), но и синтезировал эти молекулы в полимеры. С.Фокс из
Института молекулярной эволюции в Майами синтезировал почти все аминокислоты,
без которых жизнь была бы невозможна. Фокс «сварил» из аминокислот так
называемые «термические протеноиды», близкие по составу к белкам. При этом
протеноиды превратились в приготовленном Фоксом бульоне в тонкие капли,
подобные коацерватам Опарина. Именно с таких образований началась, согласно
Опарину, жизнь на Земле.
Список экспериментальных исследований очень велик. Основные их результаты
показывают, что химическая эволюция не плод досужего ума, а закономерный
естественный процесс, который закладывает основы жизни.
6. Геологические условия на первичной Земле.
Первые препятствия, которые встретились на пути развития органических
молекул, это новые условия на молодой Земле. Наряду с влиянием космических
факторов (жизнь от своего возникновения до настоящего времени еще откликается
на солнечные бури!) появляются новые специфические планетарные факторы:
развитие литосферы, атмосферы и гидросферы.
Это было не только простым препятствием перед ранней эволюцией; жизнь сама
создала область своего существования — биосферу. Некоторые специалисты
правомерно считают, что родоначальником жизни был не первый организм, а
первая биосфера. «Жизнь не есть внешне случайное явление на земной
поверхности, — пишет видный советский ученый академик В.И.Вернадский. — Она
связана теснейшим образом со строением земной коры, вмешивается в ее механизм
и выполняет функции величайшего значения в этом механизме». В своей
миллиардолетней истории организмы связаны сложной цепью взаимодействия между
собой и в то же время как целое и как отдельные единицы находятся в тесном
взаимодействии с Землей: земной поверхностью, водными бассейнами, воздухом. С
момента своего возникновения живые организмы начинают играть исключительно
важную и разнообразную геологическую роль. Они выступают не только как
великие конструкторы, но и как замечательные двигатели и регуляторы ряда
сложных геологических и геохимических процессов.
Земля как отдельная планета образовалась на первом, космическом, этапе
химической эволюции. На нем создается первый уровень организации в сложной
системе Земли. Этот этап продолжался около одного миллиарда лет. Второй этап
тесно связан с космическим, от которого его трудно отделить. В начале этого
этапа (первые 100 миллионов лет) Земля образует более 80% своей массы. Этот
этап не просто время, а в полном смысле слова знаменательная эпоха, когда
образуются первые минералы, первые слои и формируется макроструктура планеты
с ее геосферами.
Итак, земная кора уже твердая, но все еще тонкая и подвержена размягчению в
отдельных областях вследствие тектонических напряжений. Она состоит главным
образом из соединений кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия,
калия, а также ряда малозначимых соединений, в том числе и органических
веществ. В мантии под корой вследствие гравитационного разделения
накапливаются преимщественно силикаты железа и магния.
Роль земной коры для молекулярной эволюции очень велика. Из нее организмы
черпают металлы и другие неорганические и органические компоненты,
необходимые для построения тела и обмена веществ.
Земная кора дает опору жизни, но ее колыбелью становятся первые водные
бассейны. Действительно, существуют некоторые гипотезы, согласно которым
жизнь возникла не в водном бассейне, а на земной поверхности в пыли,
образованной микрометеоритным «дождем».
Жизнь, такая, как мы ее знаем, не могла возникнуть без свободной воды. Для
живой материи необходима именно свободная, а не связанная в гидраты вода или
лед, которые обнаруживаются в метеоритах или на жругих планетах.
Наличие воды в телах организмов указывает на ее огромное значение для
жизненных процессов. Низшие организмы содержат 95-99% воды, а высшие — 75-
80%. При уменьшении ее количества до определенного уровня наступает смерть.
Трудно описать состояние гидросферы в первые 100-200 миллионов лет существования
Земли. По мнению многих, на молодой Земле было около одной десятой массы воды,
содержащейся в современном океане. Остальные девять десятых образовались позже
за счет дегазации внутренних частей Земли. Именно в результате выделения газа и
пара из мантии сформировались гидросфера и атмосфера. В веществе мантии
содержится 0,5% воды, но даже 10% этого количества достаточно для образования
всего сегодняшнего объема океана. Вероятно, океанская вода с самого начала была
соленой. При дегазации вещества мантии воды насыщались анионами хлора, брома и
других элементов, а также СО2, H2S, SO2. Это
создавало легкий кислотный характер праокеану, который нейтрализовался за счет
щелочных компонентов, вызываемых дождями из базальтовой коры и выносившихся
реками в океан. Это катионы натрия, магния, кальция, калия и других элементов.
Ранняя эволюция гидросферы (океаны, моря, континентальные бассейны) протекала
при отсутствии газообразного кислорода. В этих условиях и при наличии
бескислородной атмосферы могли возникнуть только анаэробные организмы.
Океанологи установили, что органическое вещество встречается во взвешенном
состоянии в виде отдельных частиц гораздо чаще, чем считалось раньше.
Полагают, что основную роль в формировании таких скоплений органических
веществ играет образование пены в океане. Органические вещества образуют
тонкую мономолекулярную пленку на поверхности океана, которая разрушается
волнами. Взбитые этими волнами они приобретают сферическую форму и падают
снова в воду, при этом они могут погрузиться на некоторую глубину и
сохраняться там в виде мелких коацерватных капель.
Коацерватную гипотезу развил в 1924 году Опарин. Коацервация — это
самопроизвольное разделение водного раствора полимеров на фазы с различной их
концентрацией. Коацерватные капли имеют высокую концентрацию полимеров. Часть
этих капель поглощали из среды низкомолекулярные соединения: аминокислоты,
глюкозу, примитивные катализаторы. Взаимодействие молекулярного субстрата и
катализаторов уже означало возникновение простейшего метаболизма внутри
протобионтов («протобионты» по терминологии Опарина — первые белковые
структуры). Обладавшие метаболизмом капли включали в себя из окружающей среды
новые соединения и увеличивались в объеме. Когда коацерваты достигали
размера, максимально допустимого в данных физических условиях, они
распадались на более мелкие капельки, например, под действием волн. Мелкие
капельки вновь продолжали расти и затем образовывать новые поколения
коацерватов.
Постепенное усложнение протобионтов осуществлялось отбором таких коацерватных
капель, которые обладали преимуществом в лучшем использовании вещества и
энергии среды. Отбор как основная причина совершенствования коацерватов до
первичных живых существ — центральное положение в гипотезе Опарина.
Образование коацерватных капель в мономолекулярном слове липидов на границе
«воздух-вода» под действием волн.
Процесс концентрации органических веществ может происходить при отливах,
испарении воды в лагунах, а также при волнении (как отмечено выше). Научные
данные все больше подтверждают, что жизнь возникла не в открытом океане, а в
шельфовой зоне моря или в лагунах, где были наиболее благоприятные условия
для концентрации органических молекул и образования сложных макромолекулярных
систем.
7. Эволюция углеродных соединений на первичной Земле.
Биохимическая эволюция начинается с момента образования земной коры, то есть
около 4,5 млрд. лет назад. Ее корни уходят в ранний космический этап
химической эволюции. Находки древнейших молекулярных ископаемых возрастом
3,5-3,8 млрд. лет показывают, что биохимическая эволюция, которая привела к
образованию первой клетки, продолжалась около миллиарда лет. Образование
клетки и было самым трудным на этом долгом пути.
Как уже отмечалось, исходный материал для биохимической эволюции был
заготовлен раньше, на космическом этапе развития и в начале формирования
первичных литосферы, гидросферы и атмосферы. Для этого имелось достаточно
источников энергии: солнечное излучение, тепловая энергия земных недр,
высокоэнергетическая радиация, электрические разряды (молнии и гром, при
котором возникают сильные ударные волны). Вероятно, тогда же и возникли
основы естественного отбора важных биохимических молекул.
Имевшееся количество химических элементов и наличие мощных источников энергии
приводят к образованию огромного количества молекул. Путем конденсации
(концентрации) этих простых молекул (метан, аммиак, вод а др.) образуются
основные биохимические молекулы: некоторые аминокислоты, являющиеся основой
белков; некоторые органические основания, такие, как аденин, которые являются
компонентами нуклеиновых кислот; некоторые сахара, например рибоза, и их
фосфаты; простые азотосодержащие молекулы, например порфирины, которые
являются важным компонентом ферментов (энзимов) и т.п. На следующем этапе
происходит укрупнение молекул и формирование сложных макромолекул, важнейших
компонентов так называемого «первичного бульона», в котором происходит
полимеризация и связывание низкомолекулярных соединений в высокомолекулярные.
Такие сложные макромолекулярные соединения, называемые пробионтами, имеют
открытую пространственную структуру, что обеспечивает их рост, а также
разделение на дочерние образования под действием механических сил. На этом
этапе, когда возникают биологические полимеры, по-видимому, появился и
механизм идентичного воспроизведения (репликация), который является основной
чертой жизни.
Установлено, что способность к самовоспроизведению живых организмов основана
на репликации нуклеиновых кислот, при которой происходит не только
образование новых молекул, но и их разделение. Добиологический часто
химический этап переходит в этап самоорганизации, на котором возникают
самовоспроизводящие сложные молекулярные комплексы. Эти макромолекулярные
комплексы дают начало жизни. Граница между двумя этапами — этапом чисто
химической эволюции и этапом самоорганизации биологических макромолекул —
весьма условна и не фиксирована во времени.
Как полагает Опарин, с появлением самовоспроизведения органических молекул
началась биологическая эволюция. При этом произошло объединение двух важных
свойств: способности к самовоспроизводству полинуклеотидов и каталитической
активности полипептидов. Наилучшие перспективы сохраниться в
предбиологическом отборе имели эти ультрамолекулярные системы, в которых
обмен веществ сочетался со способностью к самовоспроизведению.
На этом этапе эволюционные процессы привели к образованию нового типа
взаимосвязи, необходимого для дальнейшего развития и воспроизводства. Чтобы
уяснить значение этого типа связи в природе, необходимо ввести два основных
понятия — информация и инструкция : инструкция «от кого» и
информация «для кого». Необходимо сказать несколько слов о информации.
Современная теория информации рассматривает проблему переработки информации,
а не ее «производства». Информация должна передаваться в строго определенной
форме. Она может быть записана соответствующим кодом и при передаче по
каналам сопровождается шумом, который необходимо отфильтровывать в приемном
устройстве. Современная теория информации, основываясь на данных
палеонтологии, геологии, физики, считает, что нарастание структурной
сложности и информационной насыщенности есть важнейшая черта эволюционного
прогресса.
«От кого» и «для кого»? Эти два вопроса касаются взаимодействия нуклеиновых
кислот и белков как важнейших компонентов жизни. В своей книге о химической
эволюции М. Кальвин отмечает, что существующий в настоящее время набор
компонентов белка был предопределен в самом начале эволюции исходным набором
аминокислот. Этот набор аминокислот в белке обусловлен определенной
последовательностью в строении нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты и
Страницы: 1, 2, 3, 4
|