Начало жизни на Земле

Сегодня можно уверенно утверждать, что развитие природы носит направленный характер, выражающийся в нарастании сложности и упорядоченности вещества и его структур во Вселенной. Жизнь одна из самых высоких известных чело­веку форм упорядоченности вещества, которая может воз­никнуть только по достижении развивающейся Вселенной определенной стадии эволюции и только в таких ее локаль­ных системах, где существуют необхо­димые условия для столь высокого уровня упорядоченности вещества. Пока известно только одно место во Вселенной, где есть жизнь, это наша планета Земля.

Наша планета наилучшим образом подходит дня зарождения жизни. Возраст Земли предполагается равным 4,6 млрд. лет, а первые осадочные породы, свидетельствующие о появлении крупных водоемов, заполненных жидкой водой, датируются возрастом 3,8-4 млрд. лет.

За счет дегазации лав, вы­плавлявшихся из верхней мантии при интенсивном вулканизме, на Земле постепенно возникли атмосфера и гидросфера. При дегазации вулкани­ческих лав на поверхность Земли поступали прежде всего пары воды и газообразные соединения углерода, серы, азота.

Вначале атмосфера была такой тонкой, что парниковый эффект был ничтожен. В таком случае средняя температура поверхности Земли была около 15 °С. А при такой температуре все пары воды должны были конденсироваться, за счет этого и образовались океаны.

Первичная атмосфера не содержала свободного кислорода, поскольку его не содержали те газы, которые выбрасывались при извержении вулканов. Это подтверждает анализ пузырьков газа, обнаруженных в протоархейских по­родах. 60% этих газов составляла углекислота, ос­тальное - соединения серы, аммиака, другие окислы углерода. Что касается воды первичного океана, то исследователи схо­дятся на том, что ее состав был близок к современному. Для этого есть немало доказательств. Но так же, как и в первичной атмосфере, в первичном океане не было свободного кислорода. Свободный кислород, современной атмосферы и океана являются результатом жизнедеятельно­сти первичного живого вещества.

Для построения любого сложного органического соедине­ния, входящего в состав живых тел, нужен небольшой набор блоков-мономеров. Установлено, что 29 мономеров описывают биохимическое строение любого живого организма. Основными из них являются:

· · аминокислоты - из них по­строены все белки;

· · азотные соединения - составные части нук­леиновых кислот;

· · глюкоза - источник энергии,

· · жиры - структурный материал мем­бран клеточных структур и источник энергии и др.

После того, как углеродистые соединения образовали «первичный бульон», могли уже организовываться биополи­меры - белки и нуклеиновые кислоты, обладающие свойством самовоспроизводства. Необходимая концентрация веществ для образования биополимеров могла возникнуть в результате осаждения органических соединений на минеральных части­цах, например, на глине или гидроксиде железа, образующих ил водоемов. Кроме того, органические вещества могли обра­зовать на поверхности океана тонкую пленку, которую ветер и волны гнали к берегу, где она собиралась в толстые слои. В химии известен также процесс объединения родственных мо­лекул в разбавленных растворах.

В начальный период формирования нашей планеты воды, пропитывающие земной грунт, непрерывно перемещали рас­творенные в них вещества из мест их образования в места на­копления. Там формировались протобионты системы орга­нических веществ, способных взаимодействовать с окружаю­щей средой, то есть расти и развиваться за счет поглощения из окружающей среды разнообразных богатых энергией веществ.

Далее образуются микросферы - шаровидные тела, возни­кающие при растворении и конденсации абиогенно получен­ных белковоподобных веществ.

Началом жизни на Земле принято считать появление нук­леиновых кислот, способных к воспроизводству белков. Пере­ход от сложных органических веществ к простым живым орга­низмам наукой пока не установлен. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему, в соответствии с которой между коацерватами (сгустками органических веществ) могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приво­дило к образованию примитивной клеточной мембраны, обес­печивающей коацерватам стабильность. В результате включе­ния в коацерват молекулы, способной к самовоспроизведению, могла возникнуть примитивная клетка, способная к росту.

Следующим шагом в организации живого должно было быть образование мембран, которые отграничивали смеси ор­ганических веществ от окружающей среды. С их появлением и сформировалась клетка «единица жизни», главное структурное отличие живого от неживого. Все основные процессы, опреде­ляющие поведение живого организма, протекают в клетках.

Сегодня не вызывает сомнений предположение В.И. Вернадского о том, что жизнь сразу возникла в виде прими­тивной биосферы, потому, что только разнообра­зие видов живых организмов могло обеспечить выполнение всех функций живого вещества в биосфере. В.И. Вернадский впервые нарисовал панораму исторического развития био­сферы и показал роль живого вещества в процессе эволюции Земли, неотделимость эволюции биосферы от геологической истории планеты.

Вернадский доказал, что жизнь является мощнейшей геоло­гической силой, вполне сравнимой с такими геологическими процессами, как горообразование, извержение вулканов, зем­летрясения и т. д. Жизнь не просто существует в окружающей ее среде, но активно формирует эту среду, преобразуя ее «под себя». Вернадский выделил биогеохимические функции жизни, отвечающие за это. К ним относятся:

1. 1. газовая - поглощение и выделение кислорода, углекислого газа и др.;

2. 2. окислительная - образование карбонатов, сульфидов, соединений с азотом, серой, фосфором, железом, марганцем и т.д.;

3. 3. восстановитель­ная - десульфирование, денитрификация и т.д.;

4. 4. концентра­ционная - концентрация отдельных химических элементов - фосфора, ка­лия, бора, азота, серы, кальция, натрия, цинка и др;

5. 5. синтетическая - синтез органического ве­щества.

Можно утверждать, что весь облик современной Земли, все ее ландшафты, осадочные, метаморфические породы (граниты, гнейсы, образовавшиеся из осадочных пород), запасы многих полезных ископае­мых, современная атмосфера являются результатом деятель­ности живого вещества.

Следы самых древнейших организмов обнаружены в кремнистых пластах Западной Австралии, возраст которых, а следователь­но, и возраст останков жизни оценен в 3,2 - 3,5 миллиарда лет. Это минерализовавшиеся нитчатые и округлые микроорга­низмы примерно десятка различных видов, напоминающие простейшие бактерии и микроводоросли. Организмы, видимо, имели внутренние структуры, в них присутствовали химиче­ские соединения, способные осуществ­лять фотосинтез. Обнаруженные древнейшие организмы бес­конечно сложны по сравнению с самым сложным из известных органических соединений неживого (абиогенного) происхож­дения. Нет сомнений в том, что это не самые ранние формы жизни и что существовали их более древние предшественники.

Истоки жизни уходят в первый миллиард лет существо­вания Земли как планеты, который не оставил следов в ее гео­логической истории. Есть данные, что известный биогео­химический цикл углерода, связанный с фотосинтезом в био­сфере, существенно стабилизировался более 3,8 миллиарда лет назад. А это позволяет считать, что фотоавтотрофная биосфе­ра существовала на нашей планете не менее 4 миллиардов лет назад. Но по всем данным цитологии и молекулярной биоло­гии, фотоавтотрофные организмы были вторичными в процес­се эволюции живого вещества.

Древнейшая жизнь, вероятно, существовала в качестве ге­теротрофных бактерий, получавших пищу и энергию от орга­нического материала абиогенного происхождения, образо­вавшегося еще раньше, на космической стадии эволюции Зем­ли. Исходя из этого предполагают, что жизнь могла возникнуть около 4-х млрд. лет назад, т. е существует столько времени, сколько существует сама планета.

Развитие биосферы Земли можно рассматривать как после­довательную смену трех этапов.

Первый этап - восстанови­тельный начался еще в космических условиях и завершился появлением на Земле гетеротрофной биосферы.

Можно предположить, что ранняя Земля первоначально была холодным телом, окруженным разреженной восстанови­тельной атмосферой смесью метана, аммиака, паров воды при общем давлении не более 1-10 мм рт. ст. Температура поверхности достигала примерно -50-60 °С, так что вода ледя­ным покровом окружала литосферу. Под действием солнечных и космических частиц, проникавших через разреженную атмо­сферу, происходила ее ионизация: атмосфера находилась в со­стоянии холодной плазмы. Атмосфера ранней Земли была на­сыщена электричеством, в ней вспыхивали частые разряды. В таких условиях шел быстрый и одновременный синтез разно­образных органических соединений, в том числе и весьма сложного состава.

Низкая температура и холодная атмосфера плазмы созда­вали условия для успешного протекания процессов полимери­зации. Возникшие биополимеры стали предшественниками тех, из которых потом строилась жизнь. Их образование про­текало в атмосфере, откуда они выпадали на ледяной покров Земли, накапливаясь в нем. В условиях гигантского естествен­ного холодильника они хорошо сохранялись до лучших времен.

Радиоактивный разогрев недр Земли пробудил тектониче­скую деятельность, заработали вулканы. Выделение газов уп­лотнило атмосферу, отодвинув границу ионизации в ее верхние слои. Растаял ледяной покров, образовав первичные водоемы. Это активизировало химическую деятель­ность накопленных биополимеров, углеводов, жиров. Они претерпевали самосборку, образуя стабильные микросферы (коацерватные капли). Произошел скачок, характерный для самоорганизации вещества, образовался протобионт - моле­кула РНК, отвечавшая сразу за две основные функции живой системы: обмен веществ и воспроизводство материальных ос­нов этой системы.

На первом этапе развития биосферы появились малые сфе­рические анаэробы (организмы, живущие при отсутствии ки­слорода) и прокариоты (организмы, лишенные оформленного ядра), физиологические процессы которых основывались не на кислородном окислении, а на брожении. Они начали произ­водство свободного кислорода, что привело к окислитель­ным процессам на земной поверхности и в океане. Это были гетеротрофные организмы, пищей для которых служили ранее накопленные органические соединения, растворенные в водах первичного океана. Таким образом, очевидно, первичная био­сфера ограничивалась водной средой. Длительность ее сущест­вования была в геологических масштабах невелика, так как первичные гетеротрофные организмы, обладая свойствами живого вещества, быстро размножились и, естественно, быст­ро исчерпали свою питательную базу. Поэтому, достигнув максимальной биомассы, они должны были вымереть или пе­рейти к автотрофному фотосинтетическому способу питания.

Новый способ питания благоприятствовал быстрому рас­селению организмов у поверхности первичных водоемов. Первичная поверхность Земли, лишенная свободного кислоро­да, подвергалась ультрафиолетовому излучению Солнца, по­этому, возможно, первичные фотохимические организмы ис­пользовали энергию ультрафиолетовой области спектра. Только после возникновения озонового экрана в связи с появ­лением свободного кислорода как побочного продукта фотосинтеза автотрофный фотосинтетический процесс начал использовать излучение в видимой части солнечного спектра.

Первичные гетеротрофные микроорганизмы обитали в древних водоемах лишь некоторое время. Затем их оттеснили фотоавтотрофные организмы, создавшие свободный кислород, который стал смертельным ядом для гетеротрофов. Можно предполагать, что в раннем океане происходила борьба между первичными и вторичными организмами, которая завершилась победой автотрофов.

Это составило содержание второго этапа эволюции биосферы слабоокислительного, главным результатом которого стало появление фотосинтеза.

Процесс насыщения атмосферы кислородом шел крайне медленно. Так, содержание кислорода в одну тысячную долю современной концентрации было достигнуто лишь около 1,2 миллиарда лет назад. Но уже этого оказалось достаточно, чтобы в составе биосферы (пока только в океане) появились первые эукариоты, жизнедеятельность которых была основана на кислородном дыхании. В естествознании существует понятие «точка Пастера» - такая концентрация свободного кислорода, при которой ки­слородное дыхание становится примерно в 50 раз более эффективным способом использования внешней энергии Солнца, чем анаэробное брожение. После перехода через точку Пасте­ра преимущество получают организмы, способные к кисло­родному дыханию. Этот рубеж Земля перешагну­ла, по разным данным, 2,5 - 0,6 млрд. лет назад. Затем, за пару сотен миллионов лет, насыщенность атмо­сферы Земли кислородом достигла современного уровня и произошел настоящий биологический взрыв - в океане появились не только новые многоклеточные эукариоты, но и прак­тически все типы животных.

Около 400 миллионов лет назад, когда концентрация сво­бодного кислорода достигла 10 % от современной, возник озонный экран, предохраняющий живое вещество от жесткого излучения, и жизнь вышла на сушу. Как только это случилось, резко возросла интенсивность реакций фотосинте­за, а следовательно, и поступление кислорода в атмосферу. Благодаря этому уже за 100 миллионов лет был достигнут со­временный уровень концентрации кислорода в 21 %. После этого ситуация с кислородом сделалась близкой к рав­новесию. За это время появились папоротники, хвощи, семен­ные папоротники. Развитие наземной растительности и обра­зование почв создало предпосылки для выхода на поверхность континента животных. В результате эволюции растительного мира в мезозойской эре возникли леса хвойных и цветковых растений, полные жизни.

В процессе формирования биосферы, примерно 1 млрд. лет назад произошло разделение живых существ на два царства - растений и животных. Как считает большинство биологов, различие между ними нужно делать по трем основаниям:

1. 1. по структуре клеток и их способности к росту;

2. 2. по способу пи­тания;

3. 3. по способности к движению.

При этом отнесение живого существа к одной из этих групп следует проводить не по каждому отдельному основанию, а по совокупности всех трех. Это связано с тем, что между рас­тениями и животными существуют организмы, которые обладают свойствами той и другой группы. Так, например, кораллы, моллюски, речная губка всю жизнь остаются непод­вижными, как растения, но по другим признакам их относят к животным. Существуют насекомоядные растения, которые по способу питания относятся к животным. В биологии известны также переходные типы живых организмов, которые питаются как растения, а двигаются как животные. В настоящее время на Земле существует 500 тыс. видов растений и 1,5 млн. видов жи­вотных, в том числе позвоночных - 70 тыс.

Формирование и развитие биосферы предстает как чередо­вание этапов эволюции, прерываемых скачкообразными пере­ходами в качественно новые состояния. В результате при этом образовывались все более сложные и упорядоченные формы живого вещества. В истории биосферы бывали временные ос­тановки прогрессивного развития, но они никогда не перехо­дили в стадию деградации, поворота развития вспять. Чтобы убедиться в этом, достаточно посмотреть на основные вехи в истории развития биосферы:

· · появление простейших клеток-прокариотов (клетки без ядра);

· · появление значительно более организованных клеток-эукариотов (клетки с ядром);

· · объединение клеток-эукариотов с образованием много­клеточных организмов, функциональная дифференциация кле­ток в организмах;

· · появление организмов с твердыми скелетами и формиро­вание высших животных;

· · возникновение у высших животных развитой нервной системы и формирование мозга как органа сбора, системати­зации, хранения информации и управления на ее основе пове­дением организмов;

· · формирование разума как высшей формы деятельности мозга;

· · образование социальной общности людей носителей разума.

Вершиной направленного развития биосферы стало появление в ней человека. В ходе эволюции Земли на смену периоду геологи­ческой эволюции пришел период геолого-биологический, который с появлением человека уступил свое место периоду социальной эволюции. Самые крупные изменения в биосфере Земли наступили именно в этот период. Появление и развитие человека ознаменова­ло переход биосферы в ноосферу - новую оболочку Земли, область сознательной деятельности человечества.