Происхождение жизни – один из самых сложных и в то же время интересных вопросов современного естествознания. В лабораторных условиях до сих пор не удалось воспроизвести процессы возникновения жизни такими, какими они были миллиарды лет назад. Ведь даже тщательно поставленный опыт – лишь модель, приближённо учитывающая условия зарождения жизни на Земле.
Проблемой происхождения жизни занимаются учёные многих стран. В космосе обнаружены сотни органических соединений. В лаборатории открыта саморепликация молекулы РНК и успешно проведено множество экспериментов в различных условиях, которые проясняют механизмы зарождения жизни. Однако до сих пор никому не удалось синтезировать живую клетку из неживой материи.
История жизни и история Земли неотделимы друг от друга. Именно в процессе развития нашей планеты формировались основные условия зарождения жизни: диапазоны температуры, влажности, давления, уровень радиации и др. Например, диапазон температуры, в котором возможна активная жизнь, довольно узок.
Одна из гипотез о происхождении Земли и всей Солнечной системы, как уже отмечалось, заключается в том, что Земля и все планеты сконденсировались из космической пыли и газа, рассеянных вокруг Солнца. Во внешних областях Солнечной системы в результате конденсации газов образовались различные летучие органические соединения, содержащие один из основных элементов всех живых организмов – углерод. При нагревании Солнцем они вновь превращались в газ, а из некоторой их части под действием излучения образовались менее летучие вещества – углеводороды (соединения углерода с водородом) и соединения азота. Возможно, из пылевых частиц с оболочками из органических соединений сформировались сначала астероиды, а затем планеты. Такие предположения подтверждает то, что атмосфера планет-гигантов: Юпитера, Сатурна, Урана – состоит преимущественно из метана, водорода, аммиака и других газов. Более того, в метеоритах обнаружен аденин, входящий в состав молекулы ДНК. Аденин удалось синтезировать в лабораторных условиях при моделировании первичной атмосферы Земли, а органические соединения, играющие большую роль в обмене веществ живых организмов, – щавелевую, муравьиную и янтарную кислоты – были получены при облучении водных растворов углекислоты.
Первичная атмосфера Земли, как и других планет, содержала, по-видимому, метан, аммиак, водяной пар и водород. При воздействии в лаборатории на смесь таких газов электрическими разрядами, имитирующими молнию, и ультрафиолетовым излучением синтезированы сложные органические вещества, входящие в состав натуральных белков. Вероятно, электрические разряды, световая и ультрафиолетовая радиация ещё до образования Земли или на самой первой стадии её развития способствовали образованию сложных органических веществ.
Из каких же основных химических элементов состоит все живое? Основные составляющие всех живых организмов – кислород, углерод, водород и азот. Их принято называть органогенами. В живой клетке содержится в среднем до 70 % кислорода, 17 % – углерода, 10 % – водорода, 3 % – азота. Содержание в ней каждого из элементов: фосфора, калия, хлора, серы, кальция, натрия, магния и железа – не превышает десятых долей процента. Каждый из других элементов: медь, цинк, иод, фтор и др. – составляет тысячные и десятитысячные доли процента.
Особая роль в живых организмах принадлежит углероду – он входит в состав многих органических соединений живых организмов. Поэтому неслучайно считают, что жизнь на нашей планете углеродная. Число органических соединений на его основе углерода огромно – миллионы. Они химически активны при сравнительно невысокой температуре. Из их молекул образуются длинные цепи различной формы, при перестройке которых существенно меняется их активность, возрастающая при наличии катализаторов.
На ранней стадии образования органических веществ из неорганических, вероятно, действовал предварительный естественный отбор – отбор химических соединений, из которых появились организмы. Из многих образовавшихся органических веществ оказались наиболее устойчивыми лишь немногие из них.
Для построения любого сложного органического соединения живых организмов нужен совсем небольшой набор составных низкомолекулярных соединений – мономеров. Например, всего лишь 29 сравнительно несложных мономеров достаточно для построения любого живого организма. В число их входят 20 аминокислот, из которых состоят все белки, 5 азотистых оснований (из них в комбинации с другими веществами образуются носители наследственности – нуклеиновые кислоты), глюкоза – важнейший источник энергии, необходимый для жизнедеятельности, и жиры – структурный материал мембран клеток и накопитель энергии. Такое сравнительно небольшое число органических соединений, необходимых для живых систем, выбрано природой из огромного числа веществ в течение почти миллиарда лет. Это означает, что эволюции организмов предшествовала очень длительная химическая эволюция.
Соединения на основе углерода образовали «первичный бульон» гидросферы. Согласно одной из гипотез, содержащие углерод и азот вещества появились в расплавах в глубине Земли и выносились на поверхность при извержении вулканов. Размываясь водой, они попадали в океан, где и образовывался «первичный бульон». Важнейшую роль в зарождении живых организмов сыграло объединение множества отдельных молекул органических веществ в упорядоченные молекулярные структуры – биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты, обладавшие важнейшим биологическим свойством воспроизведения себе подобных.
Свободный кислород появился значительно позже углерода в результате фотосинтеза, происходившего сначала в водорослях и бактериях, а затем и в наземных растениях. Бескислородная среда способствовала, по-видимому, синтезу биополимеров– кислород, как сильный окислитель, разрушал бы их.
В процессе объединения несложных органических соединений образовались сначала ферменты – белковые катализаторы, а затем и нуклеиновые кислоты – носители наследственной информации. Можно считать, что с этого момента на Земле возникла жизнь.
Для жизни, как особой формы существования материи, характерны обмен веществ с внешней средой, воспроизведение себе подобных, постоянное развитие и другие отличительные признаки.
Обмен веществ в живой клетке обеспечивает мембрана, которая сформировалась, по-видимому, к концу биохимической эволюции жизни. Мембрана играет важнейшую роль в жизни организма.
Первые организмы на Земле были одноклеточные – прокариоты. Проходили сотни миллионов, даже миллиарды лет, в течение которых из прокариот образовывались эукариоты, в их клетке сформировалось ядро, содержащее код синтеза белка. Сегодня известно, что ядро имеет сложную структуру.
С появлением эукариот наметился выбор растительного или животного образа жизни, главное различие которых заключается в способе питания и связано с важнейшим для всего живого процессом – фотосинтезом.
Фотосинтез сопровождается поступлением в атмосферу кислорода. Подсчитано, что благодаря фотосинтезу весь диоксид углерода планеты – и в атмосфере, и растворенный в воде – обновляется примерно за 300 лет, а весь кислород – за 2 тыс. лет. По-видимому, нынешнее содержание кислорода в атмосфере – 21% – было достигнуто 250 млн лет назад в результате интенсивного роста растений.
Предполагается, что многоклеточные организмы произошли от одноклеточных. Теорию происхождения многоклеточных организмов создал наш соотечественник, выдающийся учёный И.И. Мечников (1845–1916), лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1908 г. Многоклеточные организмы прошли долгий путь эволюции жизни, о чем свидетельствует палеонтологическая летопись, окаменевшие страницы которой постепенно открывают тайны происхождения жизни.
Библиографические ссылки
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов, 13-е изд. М.: Директ-Медиа, 2018.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Практикум, 6-е изд. М.: Директ-Медиа, 2016.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник в 2-х кн. М.: Директ-Медиа, 2017.
Карпенков С.Х. Экология. Практикум. М.: Директ-Медиа, 2014.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник для бакалавров. М.: Логос, 2014.
Карпенков С.Х. Технические средства информационных технологий. 4-е изд. М.: Директ-Медиа, 2019.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Справочник. М.: Высшая школа, 2004.
Карпенков С.Х. Незабытое прошлое. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Воробьёвы кручи. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Русский богатырь на троне. М.: ООО «Традиция», 2019.
Карпенков С.Х. Стратегия спасения. Из бездны большевизма к великой
России. М.: ООО «Традиция», 2018.
Карпенков Степан Харланович
