Виникнення живих організмів, утворення атмосфери - біохімія виникнення життя на землі

Коли на Землі виникли речовини подібні білкам, почався новий етап у розвитку матерії - перехід від органічних сполук до живих істот.

Спочатку, органічні речовини перебували в морях і океанах у вигляді розчинів. У них не було будь-якого будови, будь-якої структури. Але коли подібні органічні сполуки змішувалися між собою, з розчинів виділялися особливі напіврідкі, драглисті освіти - коацервати. У них концентрувалися всі знаходяться в розчині білкові речовини.

У первинному океані коацервати, або коацерватние краплі, мали здатність поглинати різні речовини, розчинені у водах первинного океану. В результаті цього внутрішню будову коацервата зазнавало змін, а це призводило або до його розпаду, або до накопичення речовин, тобто до зростання і до зміни хімічного складу, що підвищують стійкість коацерватной краплі в постійно мінливих умовах. Доля краплі визначалася переважанням одного з процесів.

Академік А. І. Опарін відзначав, що в масі коацерватних крапель повинен був йти відбір найбільш стійких в даних конкретних умовах. Досягнувши певних розмірів, материнська коацерватная крапля могла розпадатися на дочірні. Дочірні Коацервати, структура яких мало відрізнялася від материнської, продовжували своє зростання, а різко відрізнялися краплі розпадалися. Природно, що продовжували існувати тільки ті коацерватние краплі, які, вступаючи в якісь елементарні форми обміну з середовищем, зберігали відносну сталість свого складу. Надалі вони придбали здатність поглинати з навколишнього середовища лише ті речовини, які забезпечували їх стійкість, а також виділяти назовні продукти обміну. Паралельно збільшувалися відмінності між хімічним складом краплі і навколишнього середовища. У процесі тривалого відбору (його називають хімічної еволюцією) збереглися лише ті краплі, які при розпаді на дочірні не втрачається особливостей своєї структури, тобто придбали здатність до самовідтворення.

Мабуть, це найважливіша властивість виникло разом зі здатністю до синтезу органічних речовин усередині коацерватних крапель, найважливішими складовими частинами яких вже в той час були поліпептиди і полінуклеотіди.

Здатність до самовідтворення безперервно пов'язана з притаманними їм властивостями. В ході еволюції з'явилися поліпептиди, що володіють каталітичною активністю, т. Е. Здатністю значно прискорювати перебіг хімічних реакцій.

Полінуклеотиди в силу своїх хімічних особливостей здатні зв'язуватися один з одним за принципом доповнення, або компліментарності, і, отже, здійснюється не ферментативний синтез дочірніх нуклеотидних ланцюгів.

Наступний важливий крок небиологической еволюції - об'єднання здатності полинуклеотидов до самовідтворення з можливістю поліпептидів прискорювати перебіг хімічних реакцій, так як подвоєння молекул ДНК ефективніше здійснюється за допомогою білків, що володіють каталітичною активністю. У той же час стабільність «вдалих» комбінацій амінокислот у поліпептиду може забезпечувати лише збереженням інформації про них в нуклеїнових кислотах.

Зв'язок білкових молекул і нуклеїнових кислот привела до виникнення генетичного коду, т. Е. Такий організації молекул ДНК, в якій послідовність нуклеотидів стала служити інформацією для побудови конкретної послідовності амінокислот в білках.

Подальше ускладнення обміну речовин у передбіологічних структур могло відбуватися тільки в умовах просторового розподілу різних синтетичних і енергетичних процесів усередині коацервата, а також більш міцної ізоляції внутрішнього середовища від зовнішніх впливів в порівнянні з тією, якою могла забезпечити водна оболонка. Таку ізоляцію могла здійснити лише мембрана. Навколо коацерватов, багатих органічними сполуками, виникли шари жирів, або ліпідів, які відділили коацерват від навколишнього в одній середовища і перетворилися в ході подальшої еволюції в зовнішню мембрану.

Поява біологічної мембрани, яка відділяє вміст коацервата від навколишнього середовища і володіє здатністю до виборчої проникності, зумовило напрямок подальшої хімічної еволюції по шляху розвитку все більш досконалих саморегулюючих систем, аж до виникнення перших примітивно влаштованих клітин.

Освіта перших клітинних організмів поклало початок біологічної еволюції. Еволюція структур почалася дуже рано і протікала протягом тривалого часу.

Понад п'ятнадцять років тому академік Б. С. Соколов, кажучи про час існування життя на Землі, назвав цифру 4 мільярди 250 мільйонів років.

Саме тут, за сучасними науковими даними, простежується межа між «не є продуктом життєдіяльності» і «життям». Ця цифра дуже важлива. Виявилося, що найголовніша подія в історії життя - виникнення її молекулярно-генетичних основ -сталося, за геологічними масштабами, прямо-таки миттєво: всього через 250мілліонов років після народження самої планети і, мабуть, одночасно з утворенням океанів. Подальші дослідження показали, що перші клітинні організми з'явилися на нашій планеті значно пізніше - знадобилося близько мільярда років, щоб з структур, подібних коацерватам виникли перші найпростіші клітинні організми. Їх вдалося виявити в породах, що мають вік близько 3-х мільярдів років.

Перші мешканці нашої планети виявилися зовсім крихітними «порошинами»: їх довжина всього 0,7, а ширина 0,2 мікрометра. Розробка ідеї хімічної предбиологической еволюції, що привів його до виникнення клітинних форм життя, розкрила роль різноманітних факторів середовища в цьому процесі.

Будова перших живих організмів хоча і було набагато досконаліше, чому коацерватних крапельок, але все ж воно було незрівнянно простіше нинішніх живих істот. Природний відбір, що почався в коацерватних крапельках, тривав і з появою життя. Протягом довгого часу будову живих істот все більш поліпшувався, пристосовувати до умов існування.

Спочатку їжею для живих істот були тільки органічні речовини, що виникли з первинних вуглеводнів. Але з плином часу кількість таких речовин поменшало. У цих умовах первинні живі організми виробили в собі здатність будувати органічні речовини з елементів неорганічної природи - з вуглекислоти та води. У процесі послідовного розвитку у них з'явилася здатність поглинати енергію сонячного променя, розкладати за рахунок цієї енергії вуглекислоту і будувати в своєму тілі з її вуглецю і води органічні речовини. Так виникли найпростіші рослини - синьо-зелені водорості. Залишки синьо-зелені водорості виявляються в найдавніших відкладеннях земної кори.

Інші живі істоти зберегли колишній спосіб харчування, але їжею їм стали служити первинні рослини. Так виникли у своєму первісному вигляді тварини.

На зорі життя і рослини, і тварини були дрібними одноклітинними істотами, подібними які живуть у наш час бактеріям, синьо-зелених водоростей, амебам. Великою подією в історії послідовного розвитку живої природи стало виникнення багатоклітинних організмів, т. Е. Живих істот, що складаються з багатьох клітин, об'єднаних в один організм.

Поступово, але значно швидше, ніж раніше, живі організми ставали все складніше і різноманітніше.

З утворенням складних ультра молекулярних систем (пробіонтов) включають нуклеїнові кислоти, білки ферменти і механізм генетичного коду, з'являється життя на Землі. Пробіонти потребували різних хімічних сполуках - нуклеотидах, амінокислоти і ін. Через низького ступеня генетичної інформації, пробіонти мали досить обмеженими можливостями. Справа в тому, що вони використовували для свого зростання готові органічні сполуки, синтезовані в ході хімічної еволюції, і якби життя на своєму ранньому етапі існувала тільки у формі одного виду організмів, то первинний бульйон був би досить швидко вичерпаний.

Однак завдяки тенденції до придбання великої різноманітності властивостей, і в першу чергу, до виникнення здатності синтезувати органічні речовини з неорганічних сполук з використанням сонячного світла, цього не сталося.

На початку наступного етапу утворюються біологічні мембрани-органели, відповідальні за форму, структуру і активність клітини. Біологічні мембрани побудовані з агрегатів білків і ліпідів, здатних відмежувати органічна речовина від середовища і служити захисної молекулярної оболонкою. Передбачається, що освіта мембран могло початися ще в процесі формування коацерватов. Але для переходу від коацерватов до живої матерії були необхідні не тільки мембрани, але і каталізатори хімічних процесів - ферменти або ензими. Відбір коацерватов посилював накопичення білково-подібних полімерів, відповідальних за прискорення хімічних реакцій.

Результати відбору фіксувалися в будові нуклеїнових кислот. Система успішно працюють послідовностей нуклеотидів в ДНК удосконалилася саме шляхом відбору. Виникнення самоорганізації залежало як від вихідних хімічних передумов, так і від конкретних умов земної середовища. Самоорганізація виникла як реакція на певні умови. При самоорганізації відсіювалася безліч різних невдалих варіантів, до тих пір, поки основні риси будови нуклеїнових кислот і білків не дійшли оптимального співвідношення з точки зору природного відбору.

Завдяки предбиологического відбору самих систем, а не тільки окремих молекул, системи придбали здатність удосконалювати свою організацію. Це був вже наступний рівень біохімічної еволюції, який забезпечував зростання їх інформаційних можливостей. На останньому етапі еволюції відокремлених органічних систем сформувався генетичний код.

Після утворення генетичного коду еволюція розвивається варіаціями. Чим далі вона просувається в часі, тим більшим і складніше варіації.

Одного разу виникнувши, життя стала розвиватися швидкими темпами, показуючи прискорення еволюції в часі. Так, розвиток від первинних пробіонтов доаеробних форм зажадало близько 3 млрд років, тоді як з моменту виникнення наземних рослин і тварин пройшло близько 500 млн років; птахи та ссавці розвинулись від перших наземних хребетних за 100 млн років, примати виділилися за 12-15 млн років, для становлення людини треба близько 3 млн років.

Розвиток земної атмосфери є частиною хімічної еволюції і до того ж важливим елементом історії клімату. Сьогодні її поділяють на чотири важливі щаблі розвитку.

Спочатку відбувалося утворення хімічних елементів в космосі і поява з них землі - приблизно 4,56 мільярдів років тому. Імовірно наша планета вже досить рано мала атмосферу з водню (H2) і гелію (He), яка була, проте знову втрачена в космічний простір. Астрономи виходять також з того, що з-за відносно високих температур і ефектів сонячного вітру на землю та інших прилеглих сонця планетах могло залишитися тільки невелика кількість легких хімічних елементів (включаючи вуглець, азот і кисень). Всі ці елементи, які складають сьогодні основну частину біосфери, були занесені, за цією теорією, ударами комет з більш зовнішніх ділянок сонячної системи лише через великий проміжок часу, коли протопланети трохи охололи. Протягом перших декількох мільйонів років після виникнення сонячної системи постійно повторювалися зіткнення з небесними тілами, викликані ними колізії знищували глобальними стерилізації утворені в цей час живі системи. Тому поява життя змогло розпочатися тільки після накопичення води за тривалий час хоча б в найглибших западинах.

З повільним охолодженням землі, вулканічною діяльністю (виділення газів з надр землі) і глобальним розподілом матеріалів впали комет виникла друга атмосфера землі. Швидше за все, вона складалася з водяної пари (H2 O до 80%), вуглекислого газу (CO2; до 20%), сірководню (до 7%), аміаку (NH3) і метану (CH4). Високий відсоток водяної пари пояснюється тим, що поверхня землі була на той момент ще занадто гаряча для освіти морів. Перш за все, з води, метану й аміаку в умовах молодої землі могли утворитися невеликі органічні молекули (кислоти, спирти, амінокислоти), пізніше також органічні полімери (полісахариди, жири, поліпептиди), які були нестабільні в кислотної атмосфері.

Після охолодження атмосфери нижче температури кипіння води настав дуже тривалий період випадання дощів, які і утворили океани. Насиченість інших газів атмосфери щодо водяної пари підвищилася. Інтенсивне ультрафіолетове опромінення зумовило фотохімічний розпад води, метану й аміаку, в результаті чого накопичилися вуглекислий газ (CO2) і азот (N2). Легкі гази - водень і гелій - неслися в космос, вуглекислий газ розчинявся в великих кількостях в океані, збільшуючи кислотність води. Значення pH впало до 4. Інертний і малорозчинний азот N2 накопичувався з часом і утворював близько 3,4 мільярдів років тому основну складову атмосфери.

Випадання в осад прореагував з іонами металів розчиненого вуглекислого газу (карбонати) і подальший розвиток живих істот, які асимілювали вуглекислий газ, призвело до зменшення CO2 -концентрації і підвищення значення pH в водоймах.

Кисень O2 грає найважливішу роль в подальшому розвитку атмосфери. Він утворився з появою здатних до фотосинтезу живих істот, імовірно ціанобактерій (синьо-зелених водоростей) або їм подібних прокариотов. Асиміляція ними вуглекислого газу призвела до подальшого зниження кислотності, насиченість атмосфери киснем залишалася все-таки досить низькою. Причина цього - негайне використання розчиненого в океані кисню для окислення двовалентних іонів заліза та інших речовин, що окисляються з'єднань. Близько двох мільярдів років тому цей процес завершився, і кисень став поступово накопичуватися в атмосфері.

У земних надрах відбувалася не тільки виплавка базальтового шару земної кори. Постійно виділяються під час грандіозних хімічних реакцій гази вже не відлітали в космічний простір. Маса планети настільки зросла, що була в змозі утримувати їх поблизу поверхні тяжінням. Так, виникла первинна атмосфера. Кошти, виділені при виверженнях пари води, охолоджуючись, конденсованих і перетворювалися в рідину, яка накопичувалася в зниженнях рельєфу.

Виникнення гідросфери та атмосфери було епохальною подією в історії Землі. З тих пір вони співіснують разом і знаходяться в складній взаємодії.

Джерелом газоподібних речовин, з яких складалася первинна атмосфера, були розплавлені гірські породи земної кори, мантії і ядра. Це говорить про те, що атмосфера виникла вже після того, як Земля розділилася на оболонки. Найбільший американський геохімік Г. Юри передбачає, що така атмосфера могла складатися з суміші водяної пари, водню, метану, аміаку і сірчистого водню. Англійська геохімік П. Клауд вважає, що в ранній атмосфері переважали пари води, вуглекислий газ (CO2), чадний газ (CO), хлористий водень (HCI), водень (H2) і сірка (S). Отже, в будь-якому випадку первинна атмосфера складалася з легких газів, які утримувалися у земної поверхні силами тяжіння. Якщо порівняти найдавнішу атмосферу із сучасною, то в ній були відсутні звичні нам азот (N2) і кисень (O2). Ці гази разом з парами води знаходилися тоді в глибоких надрах Землі. Мало в той час було і води: вона у вигляді гідроксидів входила до складу мантійного речовини. Тільки після того як з порід верхньої мантії стали інтенсивно вивільнятися водяна пара і різні гази, виникла гідросфера, а товщина атмосфери і її склад змінилися. До речі, ці процеси тривають досі. При виверженні вулканів гавайського типу при температурах 1000--1200 ° С в газоподібних викидах міститься до 80% парів води і не менше 6% вуглекислого газу. Крім того, в сучасну атмосферу викидається велика кількість хлору, метану, аміаку, фтору, бору і сірководню.

Можна собі уявити, яка величезна кількість газів викидалося в далекій давнині під час грандіозних вивержень.

Сказане вище - це не просто умоглядне припущення. Все це підтверджується фактами. Виявляється, можна безпосередньо визначити склад стародавньої атмосфери. І зробив це український вчений Ю. Казанський. У гірських породах, що виникли в той далекий час, збереглися бульбашки найдавнішого повітря, який потрібно було тільки виділити і дослідити його хімічний склад. У стародавній атмосфері переважав вуглекислий газ, його було близько 60%. Сьогодні його місце в атмосфері займає азот (а вуглекислого газу всього 0,03%). Решта 40% стародавньої атмосфери становили азот (N2), сірководень (H2 S), сірчистий газ (SO2), пари соляної (HCI) і фтористої (HF) кислот.

Первинна атмосфера була дуже агресивним середовищем і діяла на гірські породи як сильна кислота. Та й температура її була дуже високою. Але як тільки температура знизилася, сталася конденсація водяної пари.

В даний час є неспростовні докази існування на Землі гідросфери ще 3,8 млрд років тому. Свідченням тому є осадові гірські породи, виявлені в Гренландії і Південній Африці. Вони утворилися на дні прадавніх морів.