В начальный период формирования Земли воды, пропитывающие земной грунт, непрерывно перемещали растворённые в них вещества из мест их образования в места накопления. Там формировались пробионты - системы органических веществ, способных взаимодействовать с окружающей средой, т.е. расти и развиваться за счёт поглощения из окружающей среды разнообразных богатых энергией веществ.
Здесь уже возможен примитивный «отбор», ведущий к постепенному усложнению и упорядоченности как обеспечивающий преимущество в выживании. Механизм отбора действовал на самых ранних стадиях зарождения органических веществ - из множества образующихся веществ сохранялись устойчивые к дальнейшему усложнению.
Затем образуются микросферы - шаровидные тела, возникающие при растворении и конденсации абиогенно полученных белковоподобных веществ.
В подтверждение возможности абиогенного синтеза были проведены следующие опыты. Воздействуя смесь газов электрическими зарядами, имитирующими молнию, и ультрафиолетовым излучением, учёные получали сложные органические вещества, входящие в состав живых белков. Органические соединения, играющие большую роль в обмене веществ, были искусственно получены при облучении водных растворов углекислоты. Американский учёный С. Миллер Стэмнли Ллойд Мимллер (англ. Stanley Lloyd Miller, 7.03.1930, Окленд, Калифорния - 20.05.2007, Нэйшионал-сити, Калифорния) - американский химик, специалист в области проблемы возникновения жизни. Получил известность благодаря участию в эксперименте Миллера - Юри, который он осуществил в 1953 году, будучи студентом Чикагского университета. Эксперимент показал, что органические соединения (в том числе аминокислоты) теоретически могли формироваться из неорганических соединений в условиях древней Земли. Тогда эти эксперименты стали сенсацией, и Миллер получил всемирную известность. в 1953 г. синтезировал ряд аминокислот при пропускании электрического заряда через смесь газов, предположительно составляющих земную атмосферу. Были синтезированы и простые нуклеиновые кислоты (рис. 1):
Рис. 1 - Схема установки Миллера - Юри
Этими экспериментами было доказано, что абиогенное образование органических соединений во Вселенной могло происходить в результате воздействия тепловой энергии, ионизирующего и ультрафиолетового излучений и электрических разрядов. Первичным источником этих форм энергии служат термоядерные процессы, протекающие в недрах Земли.
Как показывает синергетика [5], энергия имела для возникновения жизни не меньшее значения, чем вещество. Разумно предположить, считает
И. Пригожин Ильям Ромамнович Пригомжин (фр. Ilya Prigogine; 12 [25] января 1917, Москва - 28 мая 2003, Брюссель, Бельгия) - бельгийский физик и физикохимик российского происхождения. Лауреат Нобелевской премии по химии 1977 года, виконт Бельгии. Один из двух лауреатов Нобелевской премии по химии российского происхождения. , что некоторые из первых стадий эволюции к жизни были связаны с возникновением механизмов, способных поглощать и
трансформировать химическую энергию, как бы выталкивая систему в сильно неравновесные условия. Неравновесные структуры - переход к живому, но ещё нет воспроизводства. Итак, в образовании органических соединений большую роль играло не только вещество космического пространства, но и энергия звезд.
4. Начало жизни на Земле
Начало жизни на Земле - появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков. Переход от сложных органических веществ к простым живым организмам пока неясен. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему. В соответствии с ней на границе 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.
Самое трудное для этой гипотезы - объяснить способность живых систем к самовоспроизведению, т.е. сам переход от сложных неживых систем к простым живым организмам. Несомненно, в модели происхождения жизни будут включаться новые знания, и они будут все более обоснованными. Но повторимся, что чем более качественно новое отличается от старого, тем труднее объяснить его возникновение. Поэтому здесь и говорят о моделях и гипотезах, а не о теориях.
Так или иначе, следующим шагом в организации живого должно было быть образования мембран, которые отграничивали смеси органических веществ от окружающей среды. С их появлением и получается клетка - «единица жизни», главное структурное отличие живого от неживого. Все основные процессы, определяющие поведение живого организма, протекают в клетках. Тысячи химических реакций происходят одновременно для того, чтобы клетка могла получить необходимые питательные вещества, синтезировать специальные биомолекулы и удалить отходы. Огромное значение для биологических процессов в клетке имеют ферменты. Они обладают часто высокой специализированностью и могут влиять только на одну реакцию. Принцип их действия в том, что молекулы других веществ стремятся присоединиться к активным участкам молекулы фермента. Тем самым повышается вероятность их столкновения, а, следовательно, скорость химической реакции. жизнь земля космический пыль
Синтез белка осуществляется в цитоплазме клетки. Почти в каждой из клеток человека синтезируется свыше 10 000 разных белков. Величина клеток - от микрометра до более одного метра (у нервных клеток, имеющих отростки). Клетки могут быть дифференцированными (нервные, мышечные и т.д.). Большинство из них обладает способностью восстанавливаться, но некоторые, например, нервные - нет или почти нет.
5. Эволюция форм жизни
Клетки без ядра, но имеющие нити ДНК, напоминают нынешние бактерии и сине-зелёные водоросли. Возраст таких самых древних организмов около 3 млрд лет. Их свойства: 1) подвижность; 2) питание и способность запасать пищу и энергию; 3) защита от нежелательных воздействий; 4) размножение; 5) раздражительность; 6) приспособление к изменяющимся внешним условиям; 7) способность к росту.
На следующем этапе (приблизительно 2 млрд лет тому назад) в клетке появляется ядро. Одноклеточные организмы с ядром называются простейшими. Их 25-30 тыс. видов. Самые простые из них - амёбы. Инфузории имеют ещё и реснички. Ядро простейших окружено двухмембранной оболочкой с порами и содержит хромосомы и нуклеоли. Ископаемые простейшие - радиолярии и фораминиферы - основные части осадочных горных пород. Многие простейшие обладают сложным двигательным аппаратом.
Примерно 1 млрд лет тому назад появились первые многоклеточные организмы, и произошёл выбор растительного или животного образа жизни.
Первый важный результат растительной деятельности - фотосинтез - создание органического вещества из углекислоты и воды при использовании солнечной энергии, улавливаемой хлорофиллом. Продукт фотосинтеза - кислород в атмосфере.
Возникновение и распространение растительности привело к коренному изменению состава атмосферы, первоначально имевшей очень мало свободного кислорода. Растения, ассимилирующие углерод из углекислого газа, создали атмосферу, содержащую свободный кислород, который не только активный химический агент, но и источник озона, преградившего путь коротким ультрафиолетовым лучам к поверхности Земли.
Веками накапливавшиеся остатки растений образовали в земной коре грандиозные энергетические запасы органических соединений (уголь, торф).
К важным свойствам живых систем относятся:
1. Компактность. В 5·10-15 г ДНК, содержащейся в оплодотворённой яйцеклетке кита, заключена информация для подавляющего большинства признаков животного, которое весит 5·107 г (масса возрастает на 22 порядка).
2. Способность создавать порядок из хаотического теплового движения молекул и тем самым противодействовать возрастанию энтропии. Живое потребляет отрицательную энтропию и работает против теплового равновесия, увеличивая, однако, энтропию окружающей среды. Чем более сложно устроено живое вещество, тем более в нём скрытой энергии и энтропии.
3. Обмен с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Живое способно ассимилировать полученные извне вещества, т.е. перестраивать их, уподобляя собственным материальным структурам и за счёт этого многократно воспроизводить их.
4. В метаболических функциях большую роль играют петли обратной связи, образующиеся при автокаталитических реакциях. «В то время как в неорганическом мире обратная связь между «следствиями» (конечными продуктами) нелинейных реакций породившими их «причинами» встречается сравнительно редко, в живых системах обратная связь (как установлено молекулярной биологией), напротив, является скорее правилом, чем исключением» [6, с. 209]. Автокатализ, кросс-катализ и автоингибиция (процесс, противоположный катализу - если присутствует данное вещество, оно не образуется в ходе реакции) имеет место в живых системах. Для создания новых структур нужна положительная обратная связь.
5. Жизнь качественно превосходит другие формы существования материи в плане многообразия и сложности химических компонентов и динамики протекающим в живом превращений. Живые системы характеризуются гораздо более высоким уровнем упорядоченности и асимметрии в пространстве и времени. Структурная компактность и энергетическая экономичность живого - результат высочайшей упорядоченности на молекулярном уровне.
6. В самоорганизации неживых систем молекулы просты, а механизмы реакций сложны; в самоорганизации живых систем, напротив, схемы реакций просты, а молекулы сложны.
7. У живых систем есть прошлое, у неживых его нет. «Целостные структуры атомной физики состоит из определённого числа элементарных ячеек, атомного ядра и электронов и не обнаруживают никакого изменения во времени, разве что испытывают нарушение извне. В случае такого внешнего нарушения они, правда, как-то реагируют на него, но если нарушение было не слишком большим, они по прекращению его снова возвращаются в исходное положение. Но организмы - не статические образования. Древнее сравнение живого существа с пламенем говорит о том, что живые организмы, подобно пламени, представляют собой такую форму, через которую материя в известном смысле проходит как поток».
8. Жизнь организма зависит от двух факторов - наследственности, определяемой генетическим аппаратом, и изменчивости, зависящей от условий окружающей среды и реакции на них индивида. Интересно, что сейчас жизнь на Земле не могла бы возникнуть из-за кислородной атмосферы и противодействия других организмов. Раз зародившись, жизнь находится в процессе постоянной эволюции.