Умови виникнення життя на Землі
Проведено велику кількість лабораторних дослідів, що імітують умови, що існували на поверхні ще млявої Землі. Ці досліди переконливо показують, що в надрах земної кори, гідросферу і атмосфері повинно було відбуватися утворення багатьох органічних речовин, зокрема амінокислот, пуринових і пірімідинових підстав, рибози і дезоксирибози, тобто хімічних сполук, що грають першорядну роль в метаболізмі сучасних організмів.
Важливо, що в таких умовах можливе виникнення не тільки перерахованих вище мономерів, але і їх полімерів – поліпептидів і полінуклеотидів. Імітуючи вулканічні умови, вчені отримали белковоподобние високомолекулярні “протеіноіди”, що володіють внутрімолекулярної впорядкованістю, повторюваної послідовністю амінокислотних залишків і незначною ензиматичною активністю.
Синтез таких речовин може йти вже на чисто каталітичної основі, але особливо успішно за рахунок енергії природних джерел, наявних на поверхні Землі – електричних розрядів, іонізуючої радіації, тепла вулканічних вивержень, а також короткохвильового ультрафіолетового випромінювання, легко проникає через атмосферу того часу, позбавлену озонового екрана. Одночасно повинен був відбуватися не тільки синтез, але і розпад складних органічних речовин, причому відповідно до законів термодинаміки цей процес повинен був переважати. Розрахунок термодинамічної рівноваги показав що, при його настанні могло зберегтися лише незначна кількість органічних речовин. Однак у природних умовах на поверхні Землі не могло наступити термодинамічна рівновага, так як відбувалося безперервне переміщення речовин, синтезованих в одному місці, в інші умови. На підставі великого геологічного матеріалу можна таким чином представити картину земної поверхні періоду зародження життя на Землі. Сильно вирівняна суша лише незначно піднімалася над рівнем мілководних морів. Змінювалося співвідношення води і суші. Води, що просочують земний грунт, то наступали, то відступали, безперервно переміщуючи розчинені в них речовини з місць їх утворення в місця накопичення, захищені від розтлінного дії ультрафіолетового випромінювання або іншого, аналогічного, впливу. Сталося подальше ускладнення органічних молекул, з подальшим переходом від хімічної фази еволюції до її біологічному етапу. Цей перехід був пов’язаний з послідовним виникненням основних характерних для всього живого властивостей: 1) здатності долати наростання ентропії; 2) доцільність організації так званої адаптації до існування в даних умовах навколишнього середовища, а також пристосованості всіх частин організму (молекул, клітин і органів) до виконуваних в життєвому процесі функціям; 3) здатності до збереження і передачі спадкової інформації, заснованої на внутрімолекулярної організації високомолекулярних сполук (нуклеїнових код).
Перше питання, що встає на шляху вирішення проблеми хімічної еволюції в біології, зводиться до того, як міг виникнути характерний для життя порядок з безладного, хаотичного теплового руху органічних молекул в “первинному бульйоні”. На перший погляд здається, що такого роду подія взагалі неможливо, оскільки воно суперечить другому закону термодинаміки, за яким система, що складається з великої кількості хаотично рухаємося щихся часток, характеризується тенденцією до мимовільного переходу від станів менш ймовірних в більш ймовірні. Однак це протиріччя може вважатися подоланим на підставі вчення про відкриті системи, термодинаміка яких істотно відрізняється від класичної.
У відкритих системах безперервно відбувається надходження речовин і пов’язаної з ними енергії з навколишнього середовища в отграниченную від неї тим чи іншим шляхом систему і видалення з системи виникають у ній хімічних сполук назад. Тому постійність властивостей такої відкритої системи в часі характеризується не термодинамічних рівновагою (як це спостерігається в замкнених системах), а появою стаціонарного стану, при якому дотримується сталість швидкостей односторонньо протікають хімічних змін і дифузія речовин в системі, забезпечена надходженням вільної енергії ззовні.
Для виникнення відкритих систем насамперед необхідна наявність багатофазності, виділення з вихідного однорідного розчину відокремилися від навколишнього середовища певної поверхнею розділу індивідуальних багатомолекулярних утворень. Це явище надзвичайно поширене в природі, спостерігається в лабораторних дослідах, особливо при роботі з високомолекулярними органічними речовинами. Немає сумніву, що такого роду процеси в грандіозних масштабах неодноразово відбувалися і на поверхні млявої Землі в місцях концентрації органічних полімерів – в так званих субвітальних територіях. Таким шляхом виникли попередники живих систем – “пробіонти”.
За їх освітою і подальшою еволюцією можна стежити на прикладі модельних дослідів з різноманітними відкритими системами, зокрема з коацерватнимікраплями. Ці краплі легко виділяються з розчинів високомолекулярних органічних речовин, причому раніше рівномірно розподілені в розчині молекули об’єднуються в цілі молекулярні рої, що утворюють видимі під мікроскопом краплі, відмежовані від навколишнього їхнього середовища (розчину) чітко вираженою поверхнею розділу, але здатні взаємодіяти з цим середовищем за типом відкритих систем. Модельні досліди показують, що в таких системах можуть відбуватися різноманітні хімічні перетворення. Краплі з навколишнього середовища поглинають присутні в ній речовини, зокрема макроергічні, і перетворюють їх на полімери свого тіла. За рахунок цього краплі можуть збільшуватися в об’ємі і вазі – рости, як індивідуальні освіти; швидкість росту залежить від внутрішньої організації даної краплі, зокрема від наявності в ній каталитически діючих речовин і гармонійного поєднання їх дії. Тому краплі з різними наборами каталізаторів, що знаходяться в однаковому розчині, поводяться по-різному. Одні з них ростуть швидко, тоді як зростання інших сповільнений і пригнічений; може відбуватися навіть їх повний розпад.
Таким чином, модельні досліди показують можливість примітивного відбору крапель в залежності від їх взаємодії з навколишнім середовищем.
У природних умовах, на певній стадії еволюції, в тих чи інших “субвітальних територіях” примітивний природний відбір пробіонтов повинен був виникнути аналогічним чином.
Висловлюється думка, згідно з яким для вихідного утворення живих систем необхідно, щоб у водному розчині земної гідросфери спочатку (ще на молекулярному рівні) виникли внутрішньо організовані і доцільно побудовані білкові речовини і нуклеїнові кислоти. Самосборка їх молекул ніби то і привела до формування первинних організмів.
Відомо, що вже в примітивних абіогенних умовах могли утворюватися високомолекулярні поліпептиди, що володіли певною внутрімолекулярної структурою (послідовністю амінокислотних залишків) і деякої ензиматичною активністю. Однак ця активність сама по собі ще не несе ніякої доцільності, так як для самого білка вона не має ніякого значення. Така доцільність купується в цілісній системі (в пробіонтов) і, лише в тому випадку, коли катализируемая даними білком реакція є важливою ланкою в прогресуючому обміні речовин пробіонта, що обумовлює динамічну стійкість і швидке зростання всієї цілісної системи. Виникаючі в різних “субвітальних територіях” пробіонти могли бути утворені з полімерів (зокрема, білково подібних речовин), що не володіють якою-небудь закономірною внутрімолекулярної структурою. Як за складом, так і за принципом своєї просторової організації вони повинні були сильно різнитися між собою. Але тільки ті з них, які володіли динамічної стійкістю, могли не тільки довго зберігатися в даних умовах, але і розростатися, а потім дробитися на дочірні освіти під впливом зовнішніх механічних факторів.
Таким чином, вже на цій стадії еволюції здійснюється природний відбір пробіонтов, у початковому дарвінівської розумінні цього терміна, як виживання систем, найбільш пристосованих до умов навколишнього середовища.
Збереження, відоме сталість організації цих систем могли на цьому етапі базуватися тільки на динамічних основах, на вдосконаленні взаємоузгодження відбуваються в системі метаболічних реакцій. Тому білкові речовини, що володіли каталитическими функціями, грали вирішальну роль.
На підставі новітніх експериментальних даних можна теоретично уявити виникнення чисто білкових еволюціонують пробіонтов. Однак у такого роду системах відтворення білків було недосконале і легко порушувалось. На противагу білкам нуклеїнові кислоти не несуть каталітичних функцій, але вони мають здатність до скоєного відтворення.
Виключно важлива перевага, з еволюційної точки зору, отримали ті пробіонти, які включали в себе не тільки доцільно побудовані белковоподобние полімери, а й здатні до молекулярного відтворенню полінуклеотіди, що зумовило досконалу передачу властивостей від предків до нащадків. Вже при простому змішуванні неорганізованих поліпептидів і полінуклеотидів (ще не несучих ніякої генетичної інформації) відбувається об’єднання цих речовин в фазово-відокремлені освіти. У них і повинно було статися взаємодія спочатку незалежних білків і нуклеїнових кислот і подальша еволюція так званого генетичного коду, яке визначило надалі збереження і досконалу передачу спадкової інформації. Виникнення пристосованості внутримолекулярного будови білків і нуклеїнових кислот до виконуваних ними в організмі функціям та її вдосконалення могло відбуватися тільки на підставі природного відбору. Але цьому відбору піддавалися не ті чи інші здатні до реплікації полінуклеотіди і навіть не виникали під їх впливом доцільно побудовані білки-ферменти, а цілісні еволюціонують системи – пробіонти і виникали з них живі істоти. Отже, не частини сприяли організації цілого, а ціле у своєму розвитку визначило доцільність будови частин.
У міру подальшого вдосконалення життя виникали все нові і нові властивості, притаманні вже тільки більш розвиненим живим істотам: здатність до аутотрофнимі харчуванню, фотосинтез, кисневе дихання, клітинна структура, мітоз, многоклеточность, статевий процес, здатність до руху, роздратування і багато інших.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)