Возникновение жизни на Земле

Прежде чем рассуждать на тему возникновения жизни на Земле, необходимо определиться, во-первых, что такое «жизнь»; во-вторых, чем отличаются живые организмы от объектов неживой природы. Многие известные ученые, такие как Аристотель, Кант, Кювье, Ламарк и т.д., пытались дать определение «жизни». Однако их определения были либо неполными, либо однозначными и непонятными. Например, К важнейшим свойствам живых организмов относятся способность к активному движению, дыханию, росту, размножению и воспроизведению себе подобных. Однако многие из этих свойств встречаются и у объектов неживой природы, с другой стороны, у некоторых живых организмов некоторые из этих свойств могут отсутствовать.

Первым, кто сформулировал определение жизни, ставшее не только общепризнанным, но и классическим, был Ф. Энгельс. В его книге «Анти-Дюринг» есть известное высказывание:

«Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел».

И действительно, наличие белковых молекул — это общее свойство всех живых организмов от вирусов до человека. Современная наука дополняет определение Энгельса тезисом, что помимо белков в состав всех живых организмов входят нуклеиновые кислоты – либо ДНК и РНК, либо только одна из них (у вирусов). Без нуклеиновых кислот хранение и передача генетической информации, реализация этой информации, в том числе и синтез белков, невозможна. У всего живого также есть способность к саморегуляции. Это означает, что любой живой организм существует до тех пор, пока в нем происходит обмен веществ и поддерживается какое-то определенное постоянство химического состава. Т.е. жизнь в той форме, в которой она существует на на нашей планете, имеет вышеуказанные свойства.

Средневековая лаборатория

В XVII веке итальянский врач Франческо Реди смог доказать невозможность самозарождения высокоорганизованных организмов. В своих опытах он накрывал сосуды с гниющим мясом мелкой кисеей (легкой прозрачной тканью). При этом личинки мух в сосудах никогда не появлялись. В следующем веке Л.Пастернак в своих работах доказал, что даже такие мельчайшие организмы, как бактерии, также не могут самозарождаться. Возникает вопрос откуда тогда появились самые первые живые организмы, от которых впоследствии произошло все многообразие современных форм жизни?

Некоторые ученые полагали, что жизнь вечна. Например, шведский химик Сванте Аррениус считал, что зародыши жизни попали на Землю с других планет через мировое пространство в виде мельчайших спор (гипотеза панспермии). По его мнению, впоследствии именно от этих организмов и произошли все земные живые существа. Однако маловероятно, что живые существа смогут выжить в космосе, даже в виде спор. Кроме того, если придерживаться гипотезы панспермии, возникает вопрос, откуда же  живые существа появились на других планетах?

Наиболее признанной гипотезой возникновения жизни на Земле в наше время является гипотеза о постепенном возникновении жизни из неорганической материи в результате абиогенного синтеза органических веществ и их последующей самоорганизации и эволюции. Авторами этой гипотезы были многие ученые: А.И.Опарин, Дж.Холдейн, Дж. Берналл и другие. В гипотезе высказывается предположение, что на начальных этапах формирования Земли происходило остывание горячего газопылевого облака, в результате чего тяжелые элементы смещались к центру Земли, а более легкие – азот, водород, кислород, углерод – оказались на ее поверхности. По действием солнечного света, в первую очередь ультрафиолетовых лучей, из этих элементов возникли простейшие молекулы: вода, аммиак, метан, углекислый газ, углеводороды, карбиды. Дальнейшее остывание Земли привело к конденсации водяного пара, из горячей воды с растворенными в ней аммиаком, углекислым газом и метаном образовались первичные моря и океаны. Под действием высоких температур, ультрафиолета и атмосферных электрических разрядов в первичном океане из неорганических молекул могли появиться первые органические соединения.

Схема прибора для синтеза аминокислот

То что при определенных условиях существует возможность абиогенного синтеза органических веществ из неорганических была подтверждена экспериментально. Русские ученые-исследователи А. Г. Пасынский и Т. Е. Павловская облучили водный раствор формальдегида и хлористого и азотнокислого аммония, получив при этом девять аминокислот (аланин, глицин, лейцин и др.). Американцы Г. Юри и С. Миллер доказали, что не только аминокислоты, но и более сложные органические молекулы (альдегиды, спирты, сахара и др.) могут быть получены под действием электрических разрядов из смеси водяного пара, метана, аммиака и углекислоты. Немецкий ученый и биохимик Г. Шрамм доказал экспериментально, что из простейших органических соединений и соединений фосфора могут возникать вещества, похожие на современные полипептиды, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты. Т.е. можно сделать вывод, что возможность абиогенного синтеза органических веществ из неорганических на ранних этапах формирования Земли доказано экспериментально.

На следующем этапе развития, согласно гипотезе Опарина А.И., из отдельных органических молекул стали образовываться агрегаты типа коацерватов. Коацерваты (или, как их еще называют, коацерватные капли) представляют собой комплексы собранных вместе органических молекул, которые имеют единую водную оболочку. 

Возникновение коацерватных капель

Коацерватные капли, состоящие из различных молекул, могли поглощать другие органические соединения, при этом они увеличивались в размерах, сливались друг с другом, образуя уже более сложные органические системы.

Они приобретали все более и более упорядоченную структуру, на их поверхности образовывались простейшие полупроницаемые слои, состоящие из молекул липидов (некий прообраз биологических мембран), через эти слои внутреннее содержимое коацерватов могло обмениваться с окружающей средой. Внутри коацерватов могли протекать химические реакции, продукты которых могли выходить в среду (т.е. происходил простейший обмен веществ). Скорее всего, уже на этом этапе начал действовать естественный отбор, в результате которого сохранялись только наиболее устойчивые коацерватные капли. Эти капли росли, накапливали органическое вещество и преобразовывали его, делились на дочерние капли. Пока остается неясно, в какой момент из этих капель возникли первые живые существа.

Скорее всего, наиболее важную роль в эволюции подобных предбиологических систем внесли реакции матричного синтеза – способность нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) строить комплементарные копии. Не так давно ученые установили, что, к примеру, РНК может катализировать некоторые химические реакции, в их числе полимеризацию, т.е. нуклеиновая кислота имеет каталитическую или ферментативную активность. Есть предположение, что ключевую роль на ранних этапах эволюции жизни сыграло именно это свойство нуклеиновых кислот. Позднее белки-ферменты, структура которых определялась нуклеиновыми кислотами, взяли на себя функцию катализаторов. Таким образом, постепенно у первичных организмов появилась способность к самовоспроизведению, что явилось важнейшим этапом возникновения жизни на Земле.

Первые живые организмы, появившиеся на Земле, были гетеротрофными, т.е. их питанием были готовые органические соединения, содержащиеся в водах первичного океана. Эти запасы органических веществ в первичном океане постепенно стали заканчиваться, и между живыми организмами началасб борьба за пищу. Начали появляться всевозможные защитные приспособления: клеточные оболочки, образовывались различные органоиды. Благодаря этому организмы смогли сохранить себя как целостные системы. В развитием жизни важнейшим событиям стало появление хемосинтеза, а особенно фотосинтеза (автотрофные организмы). Изменилась атмосфера Земли, в ней появился свободный кислород. В результате возникновения клеточного дыхания значительно интенсифицировался обмен веществ. Эндосимбиоз простейших прокариотических организмов привел к возниновению эукариот, у которых были специфические органоиды: митохондрии и пластиды. Таким образом в современной науке описываются основные этапы возникновения жизни на Земле.

Возникновение эукариот

Примерные экзаменационные вопросы по теме «Эволюционное учение».

Перейти к оглавлению.