Основные этапы биохимической эволюции
Палеонтологические данные доказывают, что жизнь на Земле зародилась в археозойской эре 3,1 - 3,8 млрд лет назад. Физико-химические условия на планете Земля были в то время совершенно другими, чем сейчас. Прежде всего, в атмосфере практически отсутствовал свободный кислород, его количество составляло тогда не более 0,001 от современного содержания. Эта первичная атмосфера имела восстановительный характер и состояла в основном из водорода, азота, углекислого газа, аммиака, метана, паров воды, аргона и других газов. Такая бескислородная атмосфера не способна защитить от губительного действия жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, поэтому любые проявления жизни могли иметь место только в водоемах на глубине порядка 10 - 50 м.
Согласно существующим представлениям в рамках гипотезы Опарина-Холдейна, можно выделить пять основных этапов на пути к возникновению жизни, которые приведены в таблице 13.1.
Современные представления о формировании и составе первичной атмосферы Земли базируются на объективных данных разных наук, на изучении газовых оболочек других планет Солнечной системы. Весьма
Таблица 13.1
| Временной период | Этапы возникновения жизни | Процессы, происходящие на Земле |
| I | Образование первичной атмосферы, содержащей - CH4, NH3, CO2, CO, H2O в виде пара. | |
| От 4,6 млрд. лет до 3,5 млрд. Лет тому назад | II | Охлаждение планеты ниже 1000С; конденсация водяных паров; образование первичного океана, растворение в нем газов и карбидов; абиогенный синтез биологических мономеров - аминокислот, сахаров, азотистых оснований в результате действия электрических разрядов и ультрафиолетовой радиации. |
| III | Образование простейших белков и нуклеиновых кислот, образование коацерватов. | |
| От 3,5 млрд. лет до 3,0 млрд. лет | IV | В результате взаимодействия нуклеиновых кислот и белков, возникновения мембран с избирательной проницаемостью, образуются протобионты, способные к самовоспроизведению. |
| 3 млрд. лет тому назад | V | Возникновение прокариотныхорганизмов (бактерии, гетеротрофные и автотрофные, цианобактерии). |
убедительные доказательства возможности осуществления 2-го и 3-го этапов развития жизни получены в ходе многочисленных экспериментов по моделированию условий абиогенного синтеза биологических мономеров. Так, впервые в 1953 г. С. Миллер создал достаточно простую установку (так называемый биотрон), в которой ему удалось из смеси газов и паров воды под действием ультрафиолетового облучения и электрических разрядов синтезировать ряд аминокислот. В последующие десятилетия во многих лабораториях мира осуществлен искусственный синтез разных аминокислот, нуклеотидов, простых сахаров, а затем и более сложных органических соединений, в том числе - короткие полинуклеотидные цепочки, полипептиды, полисахариды.
Переход от химической эволюции к биологической на уровне первичной клеточной структуры является центральным вопросом в разработке настоящей гипотезы. Согласно представлениям А.И. Опарина, 3-й этап завершается возникновением коацерватов - поверхностно обособленных гелевых структур сферической формы. Работая с искусственно созданными коацерватами (при растворении белков и других органических веществ) Опарин наблюдал способность коацерватов избирательно адсорбировать вещества из окружающего раствора («питаться») и за счет этого увеличиваться в размерах («расти»). При достижении определенных размеров коацерваты распадались («размножение»). Одни из коацерватов характеризовались большей устойчивостью и сохранялись длительное время, другие - быстро распадались и исчезали. Эти наблюдения дали А.И. Опарину основание предположить возможность действия естественного отбора (сохранение одних форм и элиминация других) уже на этой стадии становления живого - изменения в структуре коацерватов закреплялись благодаря отбору. Коацерваты, при всей сложности их организации, тем не менее не могут считаться живыми органами прежде всего потому, что у них нет стабильного самовоспроизведения, жесткой структурной организации, функционального взаимодействия между белками и нуклеиновыми кислотами.
Появление таких истинно живых систем – протобионтов - происходило на следующем, 4-м этапе развития жизни. У этих протобионтов появляется корреляция между нуклеиновыми кислотами и белками; способность синтезировать белки определенного строения в соответствии с информацией, заключенной в нуклеиновой кислоте. Одновременно у них совершенствуется поверхностный аппарат, обеспечивающий упорядоченность обмена веществ, поддержание стабильности системы. И, главное, они приобретают способность к самовоспроизведению.
Структурное усложнение и функциональное совершенствование протобионтов привело к появлению организмов, имеющих клеточную организацию - первичных прокариотных организмов - бактерий. С этого момента начинает осуществляться биологическая эволюция организмов.
По современным представлениям первоначально существовали лишь гетеротрофные бактерии. По мере возрастания их числа происходило уменьшение пищевых ресурсов, между ними возрастала конкуренция, что способствовало появлению автотрофов, организмов, способных синтезировать органические вещества из неорганических, используя энергию солнечного света (фотосинтетики) или энергию, полученную в результате окисления минеральных веществ (хемосинтетики).
Дальнейшая биологическая эволюция обусловила формирование того многообразного мира живой природы, который мы и видим сегодня.