Глава 5.13. Современная модель происхождения и развития жизни.

Около 4,5 млрд. лет назад в условиях отсутствия в атмосфере кислорода, из смеси аммиака, метана, азота, окиси и двуокиси углерода под действием ультрафиолетового излучения и периодических электрических разрядов, как показали модельные эксперименты, вполне могли синтезироваться разнообразные органические вещества (сахара, аминокислоты и их небольшие полимерные цепи, нуклеотиды, жиры и, даже, ферменты или вещества, подобные хлорофиллу). Поскольку ультрафиолетовое излучение в равной степени способствовало не только синтезу сложных веществ, но и их распаду, сохраниться органические соединения могли только в толще воды, которая защищала от ультрафиолета. В результате, концентрация органических веществ в Мировом океане быстро достигла порядка 1 %. Из простых органических веществ также самопроизвольно могли синтезироваться более сложные полимерные соединения. Источником энергии для этого синтеза мог служить распад менее устойчивых молекул. Таки образом в мировом океане шли реакции аналогичные реакциям обмена веществ в клетках. Сам Мировой океан представлял собой открытую систему в которую благодаря энергии ультрафиолетовых лучей, физическому и химическому выветриванию земной коры шел постоянный приток органических и неорганических веществ. В результате флуктуаций формировались более сложные и упорядоченные молекулы, их механические агрегаты. Устойчивость таких агрегатов в условиях возрастающего хаоса окружающей среды была тем выше, чем ограниченней была возможность химического взаимодействия компонентов агрегата с веществами внешней среды. Наиболее устойчивыми могли оказаться агрегаты белков с липидами. Покрывающая белки липидная (жировая) пленка обладает избирательной проницаемостью, поэтому взаимное проникновение веществ между океаном и внутренней частью агрегата становилось ограниченным. В результате, одни молекулы накапливались внутри агрегатов в больших количествах, а других не хватало. Если внутри агрегата оказывались катализаторы, то вполне возможен был синтез новых органических полимеров из одних простых соединений за счет энергии расщепления других простых соединений. Такой сложный агрегат органических соединений, способный к избирательному поглощению одних веществ из внешней среды и выделению во внешнюю среду других, способный к каталитическому синтезу и распаду молекул был назван коацерватом. Наличие липидной оболочки и обмена веществ делает коацерват похожим на живую клетку, но в отличие от клетки, в коацерватах нет механизма воспроизведения себе подобных на основе наследственной информации.

Именно неспособность первого автора гипотезы самопроизвольного происхождения жизни путем химической эволюции А. И. Опарина объяснить возникновение механизма передачи наследственной информации и механизма синтеза белка на базе этой информации является главным недостатком гипотезы возникновения коацерватов.

В 90-е годы 20-го века появилась гипотеза, еще не получившая своего экспериментального подтверждения, но позволяющая объяснить возникновение систем нуклеиновых кислот и тесно связанных с ними белков–ферментов путем адсорбции отдельных нуклеотидов и отдельных аминокислот на соединениях типа глины или крупных кристаллов.

В итоге, на сегодняшний день о происхождении жизни на Земле делается следующий основной вывод: жизнь появилась около 4,0 млрд. лет назад в условиях самопроизвольно идущего синтеза органических соединений и обилия этих соединений в Мировом океане. Явились ли первые живые клетки результатом химической эволюции органических соединений или были принесены из Космоса, роли не играет. С появлением живых клеток на границе между литосферой, гидросферой и атмосферой стала формироваться новая геосфера – биосфера (сфера жизни). И вся последующая эволюция планеты непосредственно связана с эволюцией биосферы.

В условиях постоянного синтеза органических веществ и их обилия в Мировом океане первые живые организмы были гетеротрофными. Однако по мере их размножения потребление простых органических веществ быстро стало превышать их синтез, что привело к дефициту пищевых ресурсов и усилению конкуренции. Это стимулировало эволюцию первых организмов в двух направлениях:

1. возникновение организмов способных к поглощению и расщеплению других живых клеток.

2. Возникновение одноклеточных организмов, в которых присутствовали структуры, подобные хлоропластам (около 2.5 млрд. лет назад). Благодаря ним, данные организмы могли использовать энергию видимых солнечных лучей для синтеза органических веществ из углекислого газа и воды внутри самих клеток. Побочным продуктом фотосинтеза является кислород:

По мере размножения фотосинтезирующих организмов, увеличилась выработка кислорода, и около 2,0 млрд. лет назад содержание кислорода достигло 1%. Этот показатель получил название 1-ой точки Пастера. С этого момента стал возможен кислородный путь энергетического обмена (дыхание). Кислородный этап энергетически гораздо эффективнее, чем бескислородный, следовательно, он мог обеспечить динамическое равновесие более и сложных и устойчивых структур, что привело к возникновению одноклеточных организмов, с жестким кальциевым скелетом и (около 1 млрд. лет назад) первых многоклеточных.

Около миллиарда лет назад концентрация кислорода в атмосфере достигала около 10% - 2-ая точка Пастера. При этой концентрации в результате взаимодействия кислорода с ультрафиолетовыми лучами образовался озоновый слой, предохраняющий поверхность Земли от воздействия жестких коротковолновых ультрафиолетовых лучей. С этого момента стал возможен выход организмов на сушу. Благодаря их широкому распространению и размножению, усилилась интенсивность формирования верхнего слоя земной коры в виде различных осадочных пород, в особенности известняка. Тектонические и вулканические процессы приводили к тому, что эти осадочные породы оказывались над водой. Различная интенсивность жизни, видовое разнообразие, привело к развитию различного химического состава осадочных пород на разных участках суши. Выход фотосинтезирующих организмов на сушу, с одной стороны создавал им ряд преимуществ:

- более высокая интенсивность видимого солнечного излучения и, следовательно, более высокий КПД фотосинтеза

- высокие концентрации доступных и необходимых минеральных солей.

С другой стороны возник и ряд трудностей, связанных с необходимостью приспособиться:

к дефициту влаги, причем различному на разных участках суши,

к более резким температурным колебаниям,

к различию температурного и светового режима в зависимости от

рельефа местности и розы ветров,

к различию в химическом составе поверхностных участков суши.

Уже эти различия в условиях обитания привели к отбору организмов, обладающих разными свойствами. Постоянное потребление жизненно необходимых ресурсов из неживой природы автотрофными организмами должно было привести сначала к дефициту этих ресурсов, а потом к их исчезновению при все большем накоплении живого и мертвого органического вещества. Однако быстро размножающиеся организмы - автотрофы становились естественной питательной средой для гетеротрофных организмов (консументов и редуцентов.), которые превращали эти вещества в минеральные соединения. В результате преимущество в борьбе за существование получали такие сообщества автотрофных и гетеротрофных организмов, в которых обеспечивался максимальный возврат минеральных веществ в неживую природу как главное условие воспроизводства автотрофных организмов и всего сообщества.

Формирование множества локальных экосистем и глобальной экосистемы планеты – Биосферы, представляло собой всеобъемлющую сукцессию, в ходе которой создавалось разнообразие видов, необходимое для максимально замкнутого круговорота веществ. В результате за относительно короткий (700млн. лет) срок разнообразие видов достигло современного уровня (около 2млн. видов). С тех пор отдельные экосистемы Земли и биосфера в целом ни раз переходили от состояния равновесия к сукцессии, при этом нередко происходило вымирание, как отдельных видов, так и более крупных таксономических групп растений и животных. На их место в экологических нишах приходили новые виды, и каждый раз переход Биосферы к равновесию сопровождался восстановлением разнообразия видов на среднем уровне в 2 млн. видов.