Происхождение и эволюция жизни. Ноосфера. Учение В.И.Вернадского о ноосфере

Х.С.Фокс и его сотрудник Л.Бахадур проверили, может ли смесь протеиноидов работать как фермент. Оказалось, что она  проявляла активность, имитирующую  функцию ферментов пирофосфатазы, каталазы, АТФазы. Другие исследователи, многократно проверив опыты Фокса, пришли к выводу, что подобная смесь  может имитировать функцию практически  любого фермента. Возможно, что протеиноиды  катализировали синтез первых генов  – матриц, на которых синтезировались  уже настоящие белки, но тоже со случайными последовательностями. Как только среди  них нашлась одна, способная ускорить синтез и репликацию своей матрицы  – нуклеиновой кислоты, труднейшая проблема происхождения жизни была решена.

Для этого  не требовалось сверхастрономического  числа Вселенных и вмешательства  сверхразума. В опытах Фокса участвовало  не 10²³⁰ молекул, а существенно меньше 10²³, одного моля, как говорят химики. Для возникновения жизни вполне хватило бы случайных химических реакций в достаточно большой грязной луже, вроде той, которую воспел Н.В.Гоголь в «Миргороде».

Опровергнуть  эту концепцию можно посетив  несколько планет земного типа из других звездных систем. Вполне возможно обнаружить на некоторых из них, хотя бы на одной, жизнь. Вот если тамошние гены и кодируемые ими белки будут гомологичны генам и белкам земных организмов, можно принять идею Творца.

Пока  это не грозит: мы знаем, что и  на Земле один и тот же ген не возникал дважды, как не было написано дважды любое литературное произведение, тот же «Гамлет».

1.3. Происхождение и эволюция жизни.

1.3.1 Происхождение жизни связано с длительной эволюцией углеродных соединений на поверхности первичной планеты.

На начальных  этапах своей истории Земля представляла собой раскаленную планету. Вследствие вращения при постепенном снижении температуры атомы тяжелых элементов  перемещались к центру, а в поверхностных  слоях концентрировались атомы  легких элементов (водорода, углерода, кислорода, азота), из которых и состоят  тела живых организмов. При дальнейшем охлаждении Земли появились химические соединения: вода, метан, углекислый газ, аммиак, цианистый водород, а также  молекулярный водород, кислород, азот. Благодаря физическим и химическим свойствам воды (высокий дипольный  момент, вязкость, теплоемкость и т. д.) и углерода (трудность образования  окислов, способность к восстановлению и образованию линейных соединений) они оказались у колыбели жизни.

На этих этапах сложилась первичная атмосфера  Земли, которая носила не окислительный, как сейчас, а восстановительный  характер. Кроме того, она была богата инертными газами (гелием, неоном, аргоном). Первичная атмосфера утрачена, а  на ее месте образовалась вторая атмосфера  Земли, состоящая на 20% из кислорода  — одного из наиболее химически  активных газов. Эта вторая атмосфера  — продукт развития жизни на Земле, одно из его глобальных следствий.

Дальнейшее  снижение температуры обусловило переход  ряда газообразных соединений в жидкое и твердое состояние, а также  образование земной коры. Когда температура  поверхности Земли опустилась ниже 100 °С произошло сгущение водяных  паров. Длительные ливни с частыми  грозами привели к образованию  больших водоемов. В результате активной вулканической деятельности из внутренних слоев Земли на поверхность выносилась раскаленная масса, в том числе  карбиды — соединения металлов с  углеродом. При взаимодействии карбидов с водой выделялись углеводородные соединения. Горячая дождевая вода как хороший растворитель имела  в своем составе растворенные углеводороды, газы (аммиак, углекислый газ, цианистый водород), соли и другие соединения, которые могли вступать в химические реакции. С особым успехом, видимо, протекали процессы роста  молекул при наличии группы — N = С = N —. Эта группа имеет большие  химические возможности к росту  за счет присоединения к атому  углерода атома кислорода и реагирования с азотистым основанием. Так постепенно на поверхности молодой планеты Земля накапливались, причем в больших количествах, простейшие органические соединения. Подсчеты показывают, что только в результате вулканической деятельности на поверхности Земли могло образоваться около 10¹⁶ кг органических молекул. Это всего на 2—3 порядка меньше массы современной биосферы!

Вместе  с тем астрономическими исследованиями установлено, что и на других планетах, и в космической газопылевой  материи имеются углеродные соединения, в том числе углеводороды.

1.3.2 Второй этап биогенеза характеризовался возникновением более сложных органических соединений (в частности, белковых веществ нуклеиновых кислот) в водах первичного океана. Благодаря высокой температуре, грозовым разрядам, усиленному ультрафиолетовому излучению относительно простые молекулы органических соединений при взаимодействии с другими веществами усложнялись, полимеризировались и образовывались углеводы, жиры, аминокослоты, белки и нуклеиновые кислоты.

Возможность такого синтеза была доказана опытами  А.М. Бутлерова, который еще в середине XIX в. получил из формальдегида углеводы (сахар). В 1953—1957 гг. химиками различных  стран (США, СССР, Германии) в целом  ряде экспериментов из смеси газов (аммиака, метана, водяного пара, водорода) при 70—80 °С и давлении несколько  атмосфер под воздействием электрических  разрядов напряжением 60 000 В и ультрафиолетовых лучей были синтезированы органические кислоты, в том числе аминокислоты (глицин, аланин, аспарагиновая и  глутаминовая кислоты), которые служат материалом для образования белковой молекулы. Таким образом, были смоделированы  условия первичной атмосферы  Земли, при которых могли образовываться аминокислоты, а при их полимеризации  — и первичные белки.

Эксперименты  в этом направлении оказались  перспективными. В дальнейшем (при  использовании других соотношений  исходных газов и видов энергии) путем реакции полимеризации  из простых молекул получали более  сложные молекулы — белки, липиды, нуклеиновые кислоты и их производные, а позже была доказана возможность  синтеза в условиях лаборатории  и других сложных биохимических  соединений, в том числе белковых молекул (инсулина), азотистых оснований  нуклеотидов. Особенно важно то, что  лабораторные эксперименты совершенно определенно показали возможность  образования белковых молекул в  условиях отсутствия жизни.

С определенного  этапа в процессе химической эволюции на Земле активное участие стал принимать  кислород. Он мог накапливаться в  атмосфере Земли в результате разложения воды и водяного пара под  действием ультрафиолетовых лучей Солнца. (Для превращения восстановленной атмосферы первичной Земли в окисленную потребовалось не менее 1—1,2 млрд лет.) С накоплением в атмосфере кислорода восстановленные соединения начали окисляться. Так, при окислении метана образовались метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота и т.д., которые вместе с дождевой водой попадали в первичный океан. Эти вещества, вступая в реакции с аммиаком и цианистым водородом, дали начало аминокислотам и соединениям типа аденина. Важно и то, что более сложные органические соединения являются более стойкими, чем простые соединения, перед разрушающим действием ультрафиолетового излучения.

Интересной  закономерностью тех органических молекул, из которых состоит живое  вещество, является их асимметричность. Так, углеводы представлены только правыми  формами симметрии, а аминокислоты — только левыми. В этой асимметрии содержится «ключ» к разгадке конкретных условий возникновения жизни. Пока нет единой точки зрения, объясняющей  происхождение этой асимметричности. Ее объясняют и магнитным полем  Земли; и воздействием поляризованного  света; и тем, что синтез органических веществ проходил на поверхности  асимметрических кристаллов (кварца и др.) и т.д.

Анализ  возможных оценок количества органического  вещества, которое накопилось неорганическим путем на ранней Земле, впечатляет: по некоторым расчетам за 1 млрд лет  над каждым квадратным сантиметром  земной поверхности образовалось несколько  килограммов органических соединений. Если их все растворить в мировом  океане, то концентрация раствора была бы приблизительно 1%. Это довольно концентрированный  «органический бульон». В таком  «бульоне» мог вполне успешно  развиваться процесс образования  более сложных органических молекул. Таким образом, воды первичного океана постепенно насыщались разнообразными органическими веществами, образуя  «первичный бульон». Насыщению его  в немалой степени способствовала и деятельность подводных вулканов.

1.3.3 Дальнейший этап биогенеза связан с концентрацией органических веществ и образованием фазовообособленных систем. Такие системы носят открытый характер и способны взаимодействовать с внешней средой. «Механизм», определяющий образование фазовообособленных систем, — так называемая неспецифическая самосборка, спонтанное упорядоченное объединение биополимеров за счет образования нековалентных, вторичных связей (ионные, водородные, межмолекулярного взаимодействия). Особенно активно такое объединение происходит в условиях пространственной взаимодополняемости (взаимное соответствие) поверхностей взаимодействующих молекул (комплементарность). Фазовообособленные системы — это некие протоклетки (пробионты). В качестве пробионтов могли выступать коацерваты — мельчайшие коллоидальные частицы, капли, обладающие осмотическими свойствами.

В водах  первичного океана концентрация органических веществ увеличивалась, происходили  их смешивание, взаимодействие и объединение  в мелкие обособленные структуры  раствора. Такие структуры довольно просто получить искусственно, смешивая растворы разных белков, например желатина и альбумина. Эти обособленные в  растворе органические многомолекулярные  структуры русский ученый А.И. Опарин назвал коацерватными каплями, или  коацерватами. Коацерваты образуются в слабых растворах. Вследствие взаимодействия противоположных электрических  зарядов происходит агрегация молекул. Мелкие сферические частицы возникают  потому, что молекулы воды создают  вокруг образовавшегося агрегата поверхность  раздела.

Исследования  показали, что коацерваты имеют достаточно сложную организацию и обладают рядом свойств, которые сближают их с простейшими живыми системами. Например, они способны поглощать  из окружающей среды разные вещества, которые вступают во взаимодействие с соединениями самой капли, и  увеличиваться в размере. Эти  процессы в какой-то мере напоминают первичную форму ассимиляции. Вместе с тем в коацерватах могут  происходить процессы распада и  выделения продуктов распада. Соотношение  между этими процессами у разных коацерватов неодинаково. Выделяются отдельные динамически более  стойкие структуры с преобладанием  синтетической деятельности.

Коацерваты  объясняют, как появились биологические  мембраны. Образование мембранной структуры  считается самым «трудным» этапом химической эволюции жизни. Истинное живое  существо (в виде клетки, пусть даже самой примитивной) не могло оформиться до возникновения мембранной структуры  и ферментов. Биологические мембраны — это агрегаты белков и липидов, способные отграничить вещество от среды и придать упаковке молекул  прочность. Мембраны могли возникнуть в ходе формирования коацерватов.

Повышенная  концентрация органических веществ  в коацерватах увеличивала возможность  взаимодействия между молекулами и  усложнения органических соединений. Уже на стадии формирования коацерватов  зарождается отбор, который приводит к сохранению наиболее устойчивых, организованных структур. Однако все  это еще не дает основания считать  коацерваты живыми системами, потому что  они лишены способности к самовоспроизведению  и саморегуляции синтеза органических веществ. Но предпосылки возникновения  живого в них уже содержались.

Кроме коацерватов  в «первичном бульоне» накапливались  полинуклеотиды, полипептиды и различные  катализаторы, без которых невозможно формирование способности к самовоспроизведению  и обмену веществ. Катализаторами могли быть и неорганические вещества. Так, Дж. Бернал в свое время выдвинул гипотезу о том, что наиболее удачные условия для возникновения жизни складывались в небольших спокойных теплых лагунах с большим количеством ила, глинистой мути. В такой среде и без нагрева очень быстро протекает полимеризация аминокислот, так как частицы ила выступают в качестве своеобразных катализаторов.

13.3.4 Главная задача в учении о происхождении жизни — объяснить возникновение матричного синтеза белков. Жизнь возникла не тогда, когда образовались пусть даже очень сложные органические соединения, отдельные молекулы ДНК и др., а тогда, когда начал действовать механизм конвариантной редупликации. Именно поэтому завершение процесса биогенеза связано с возникновением у более стойких коацерватов способности к самовоспроизведению составных частей, генетического кода, с переходом к матричному синтезу белка, характерному для живых организмов. В ходе предбиологического отбора наибольшие шансы на сохранение имели те коацерваты, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению. Переход к матричному синтезу белков был величайшим качественным скачком в эволюции материи. Однако механизм перехода пока не ясен. Основная трудность здесь состоит в том, что для удвоения нуклеиновых кислот нужны ферментные белки, а для создания белков — нуклеиновые кислоты. Иначе говоря, нужно объяснить, как в ходе предбиологического отбора объединились способности к самовоспроизведению полинуклеотидов с каталитической активностью полипептидов в условиях пространственно-временного разобщения начальных и конечных продуктов реакции.

На этот счет существуют разные гипотезы, но все  они так или иначе не полны. В настоящее время наиболее перспективными считаются гипотезы, которые опираются  на принципы теории самоорганизации, синергетики, на представления о гиперциклах, т.е. системах, связывающих самовоспроизводящиеся (автокаталитические) единицы друг с другом посредством циклической  связи. В таких системах продукт  реакции одновременно является и  ее катализатором или исходным реагентом. Потому и возникает явление самовоспроизведения, которое на первых этапах вовсе могло  и не быть точной копией исходного  органического образования. О трудностях становления самовоспроизведения  свидетельствует само существование  вирусов и фагов, которые представляют собой, вероятно, осколки форм предбиологической  эволюции.