Появление жизни на земле
Для появления жизни на Земле прежде всего были необходимы следующие материальные основы - химические элементы-органогены и важнейший из них углерод, способный создавать разнообразные (несколько десятков миллионов), подвижные, низкоэлектропроводные, насыщенные водой, длинные скрученные цепеобразные структуры. Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором, серой, железом обладают хорошими каталитическими, строительными, энергетическими, информационными и иными свойствами.
Кислород, водород и азот наряду с углеродом можно отнести к «кирпичикам» живого. Клетка состоит на 70% из кислорода, 17% углерода, 10% водорода. 3% азота. Все эти элементы живого принадлежат к наиболее устойчивым и распространенным во Вселенной химическим элементам. Они легко соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малым атомным весом. Их соединения легко растворяются в воде.
Для появления жизни необходимы также определенные физические и химические условия (температура, давление, радиация, вода, соли и т.д.). Эти показатели не должны выходить за Границы определенного диапазона значений, вне которых жизнь становится невозможной.
Современное естествознание располагает точными знаниями о самых различных процессах и явлениях нашего мира. Однако этих знании оказывается недостаточно для достоверного описания появления жизни на Земле. Сегодня мы можем уверенно утверждать только, 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 предыдущее развитие подготовило необходимые условия для столь высокого уровня упорядоченности вещества. В принципе такие условия могут возникнуть во многих локальных системах, на многих планетах, образовавшихся около звезд определенного типа. Но пока мы знаем только одно место во Вселенной, где есть жизнь,- это наша планета Земля.
Наша планета - «золотая середина» в Солнечной системе -наилучшим образом подходит для зарождения жизни. Возраст Земли предполагается равным 4,6 миллиардов лет, а первые осадочные породы, свидетельствующие о появлении крупных водоемов, заполненных жидкой водой, датируются возрастом 3,8 миллиарда лет, хотя некоторые ученые относят его еще дальше, считая равным 4 миллиардам лет.
На Земле постепенно возникли атмосфера и гидросфера -моря, океаны и т.д. Возникли они за счет дегазации лав, выплавлявшихся из верхней мантии при интенсивном вулканизме.
Несмотря на то, что объемы океанов и атмосферы все время росли, они и сегодня составляют ничтожную часть массы планеты. Океаны вместе с ледниками составляют одну четырехтысячную, а атмосфера - одну миллионную долю массы Земли. Мы имеем все основания полагать, что 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 соображение подтверждает и анализ пузырьков газа, обнаруженных в протоархейских породах. 60 процентов 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 свободного кислорода не было.
Таким образом, свободный кислород, а значит, и химический состав современной атмосферы и свободный кислород океана не были первоначально заданы при рождении Земли как небесного тела, а являются результатом жизнедеятельности первичного живого вещества.
Для построения любого сложного органического соединения, входящего в состав живых тел, нужен небольшой набор блоков-мономеров (низкомолекулярных соединений): 29 мономеров описывают биохимическое строение любого живого организма. Это строение состоит из аминокислот (из них построены все белки), азотных соединений (составные части нуклеиновых кислот), глюкозы - источника энергии, жиров -структурного материала, идущего на построение в клетке мембран и запасающего энергию.
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 гидроокиси 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.
В подтверждение возможности абиогенного синтеза были проведены следующие опыты. Воздействуя на смесь газов электрическими разрядами, имитирующими молнию, и ультрафиолетовым излучением, ученые 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. Были искусственно синтезированы аминокислоты и простые нуклеиновые кислоты. Этими экспериментами было доказано, что абиогенное образование органических соединений во Вселенной могло происходить в результате взаимодействия тепловой энергии, ионизирующего и ультрафиолетового излучений и электрических разрядов.
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 ней 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 получается клетка - «единица жизни», главное структурное отличие живого от неживого. Все основные процессы, определяющие поведение живого организма, протекают в клетках. Тысячи химических реакции происходят одновременно для того, чтобы клетка могла получить необходимые питательные вещества, синтезировать специальные биомолекулы и удалить отходы.
Синтез белка осуществляется в цитоплазме клетки. Почти в каждой из клеток человека синтезируется свыше 10000 разных белков. Величина клеток - от микрометра до более одного метра (у нервных клеток, имеющих отростки). Клетки имеют разное назначение (нервные, мышечные и т.д.). Большинство из них обладает способностью восстанавливаться, но некоторые, например, нервные - не восстанавливаются.
Сегодня уже не вызывает сомнении, что В.И. Вернадский, предположивший, что жизнь сразу возникла в виде примитивной биосферы, был прав - потому, что только разнообразие видов живых организмов могло обеспечить выполнение всех функций живого вещества в биосфере. Живое вещество -это вся совокупность живых организмов нашей планеты. Биосфера - внешняя геологическая оболочка Земли, образующая у ее поверхности пленочный слой. Это - системное образование, включающее в себя живое вещество планеты и среду его обитания, преобразованную им. Именно такое понимание биосферы было предложено В.И. Вернадским. Он же 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 как по энергетическим затратам, так и по внешним эффектам 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: газовая - поглощение и выделение кислорода, углекислого газа и др.; окислительная - образование карбонатов, сульфидов, соединений с азотом, серой, фосфором, железом, марганцем и т.д.; восстановительная - десульфинирование, денитрификация и т.д.; концентрация и выделение солей кальция; концентрация фосфора, калия, бора, азота, серы, кальция, натрия, цинка в почвах и осадочных породах; синтез и разрушение органического вещества. И сегодня мы можем смело говорить, что весь лик современной Земли, все ее ландшафты, все осадочные породы, метаморфические породы (граниты, гнейсы, образовывающиеся из осадочных пород), запасы полезных ископаемых, современная атмосфера являются результатом деятельности живого вещества.
Следы 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 элементы, соединения которых были способны осуществлять фотосинтез. Обнаруженные древнейшие организмы бесконечно сложны по сравнению с самым сложным из известных Органических соединений неживого (абиогенного) происхождения. Нет сомнений, что это не самые ранние формы жизни и что существовали их более древние предшественники. Истоки жизни уходят в тот «темный» первый миллиард лет существования Земли как планеты, который не оставил следов в ее геологической истории. Так, 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. Автотрофному способу питания живых организмов должен был предшествовать гетеротрофный (потребление в качестве пищи других организмов), как более простой. Автотрофные организмы, строящие свое тело за счет неорганических минеральных веществ, имеют более позднее происхождение.
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 нетрудно себе представить, что начало жизни как таковой отодвигается еще дальше, за пределы каменной летописи земной коры, то есть более чем на 4 миллиарда лет назад.
Учитывая вышесказанное, нетрудно прийти к общему заключению о том, что жизнь на Земле существует примерно столько же времени, сколько существует сама планета. Именно это имел в виду Вернадский, когда говорил о вечности жизни на Земле.