7.5. Происхождение жизни

Происхождение жизни — один из самых сложных, трудных и в то же

время интересных вопросов современного естествознания. В лаборатор-

ных условиях до сих пор не удалось воспроизвести процессы возникнове-

ния жизни такими, какими они были миллиарды лет назад. Ведь даже

тщательно поставленный опыт — лишь модель, приближенно учитываю-

щая условия появления жизни на Земле. Тем не менее постепенно расши-

ряются представления о зарождении жизни. Существенный вклад в реше-

ние вопроса о происхождении жизни внесли академик АН СССР, биохи-

мик А.И. Опарин (1894—1980), английские естествоиспытатели Дж. Бер-

нал (1901—1971), Б.С. Холдейн (1892—1964) и др.

История жизни и история Земли неотделимы друг от друга. Именно в

процессах развития нашей планеты формировались основные условия за-

рождения жизни — диапазоны температур, влажности, давления, уро-

вень радиации и т. п. Например, диапазон температур, в котором возмож-

на активная жизнь, довольно узок (рис. 7.5).

Одна из гипотез о происхождении Земли и всей Солнечной системы,

как уже отмечалось, заключается в том, что Земля и все планеты сконден-

сировались из космической пыли и газа, рассеянных вокруг Солнца. Во

внешних областях Солнечной системы в результате конденсации газов

образовались различные летучие органические соединения, содержащие

один из основных элементов всех живых организмов — углерод. При на-

гревании Солнцем они вновь превращались в газ, а из некоторой их части

под действием излучения образовались менее летучие вещества — угле-

водороды (соединения углерода с водородом) и соединения азота. Воз-

можно, из пылевых частиц с оболочками из органических соединений

сформировались сначала астероиды, а затем планеты. Такие предположе-

ния подтверждают то, что планеты-гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран —

состоят преимущественно из метана, водорода, аммиака, льда и других

веществ. Более того, в метеоритах обнаружен аденин — одна из амино-

кислот, входящих в состав молекулы ДНК. Аденин удалось синтезиро-

вать в лабораторных условиях при моделировании первичной атмосферы

Земли, а органические соединения, играющие большую роль в обмене ве-

275

ществ живых организмов, — щавелевую, муравьиную и янтарную кисло-

ты — получили при облучении водных растворов углекислоты.

Первичная атмосфера Земли, как и других планет, содержала, по-ви-

димому, метан, аммиак, водяной пар и водород. При воздействии в лабо-

ратории на смесь таких газов электрическими разрядами, имитирующи-

ми молнию, и ультрафиолетовым излучением синтезированы сложные

органические вещества, входящие в состав натуральных белков. Вероят-

но, электрические разряды, световая и ультрафиолетовая радиация еще

до образования Земли или на самой первой стадии ее развития способст-

вовали образованию сложных органических веществ.

Какие же химические элементы являются основными слагаемыми

всего живого, его «кирпичиками»? Это, в первую очередь кислород, угле-

род, водород и азот. Их принято называть органогенами. В живой клетке,

например, по массе содержится около 70% кислорода, 17% углерода, 10%

водорода, 3% азота. Количество фосфора, калия, хлора, серы, кальция,

276

натрия, магния, железа не превышает десятых долей процента. Медь,

цинк, иод, фтор и другие элементы составляют тысячные и десятитысяч-

ные доли процента.

Особая роль в живых организмах принадлежит углероду. Говорят, что

жизнь на нашей планете «углеродная»: многие органические соединения

живых организмов содержат углерод. Число органических соединений на

его основе огромно — миллионы. Они химически активны при сравни-

тельно невысокой температуре. Из их молекул образуются длинные цепи

различной формы, при перестройке которых существенно меняется их

активность, возрастающая при наличии катализаторов.

На ранней стадии образования органических веществ из неорганиче-

ских, вероятно, действовал предварительный отбор соединений, из кото-

рых появились организмы. Из множества образовавшихся веществ сохра-

нились лишь наиболее устойчивые и способные к дальнейшему усложне-

нию.

Для построения любого сложного органического соединения живых

организмов нужен небольшой набор составных блоков — мономеров

(низкомолекулярных соединений). Например, всего лишь 29 сравнитель-

но несложных мономеров достаточно для построения любого живого ор-

ганизма. В число их входят 20 аминокислот, из которых состоят все бел-

ки, 5 азотистых оснований (из них в комбинации с другими веществами

образуются носители наследственности — нуклеиновые кислоты), а так-

же глюкоза — важнейший источник энергии, необходимой для жизне-

деятельности, и жиры — структурный материал мембран клеток и нако-

питель энергии. Такое сравнительно небольшое число органических со-

единений — результат естественного отбора, выделившего в течение

почти миллиарда лет из огромного количества веществ лишь необходи-

мые для живых систем. Это означает, что эволюции организмов предше-

ствовала очень длительная химическая эволюция.

Соединения на основе углерода образовали «первичный бульон» гид-

росферы. Согласно одной из гипотез, содержащие углерод и азот вещест-

ва возникали в расплавах в глубине Земли и выносились на поверхность

при извержении вулканов. Размываясь водой, они попадали в океан, где и

образовывался «первичный бульон». Важнейшую роль в зарождении жи-

вых организмов сыграло объединение множества отдельных молекул ор-

ганических веществ в упорядоченные молекулярные структуры — био-

полимеры: белки и нуклеиновые кислоты, обладавшие важнейшим био-

логическим свойством воспроизведения себе подобных. Свободный ки-

слород появился значительно позже углерода в результате фотосинтеза,

происходившего вначале в водорослях и бактериях, а затем и в наземных

растениях. Бескислородная среда способствовала, по-видимому, синтезу

биополимеров: кислород как сильный окислитель разрушал бы их.

277

В результате объединения несложных органических соединений об-

разовались вначале ферменты — белковые катализаторы, а затем нуклеи-

новые кислоты — носители наследственной информации. Можно счи-

тать, что с этого момента на Земле возникла жизнь. Жизнь — это особая

форма существования материи. Характерные особенности жизни — об-

мен с внешней средой, воспроизведение себе подобных, постоянное раз-

витие и т.п.

К концу биохимической стадии развития жизни появились структур-

ные образования — мембраны, сыгравшие важную роль в построении

клеток. Первые организмы на Земле были одноклеточные — прокарио-

ты. Проходили сотни миллионов, даже миллиарды лет, в течение кото-

рых из прокариот образовывались эукариоты, в их клетке сформирова-

лись ядро с веществом, содержащим код синтеза белка, ядрышко, находя-

щееся в ядре, и другие структурные элементы (рис. 7.6). С появлением эу-

кариот наметился выбор растительного или животного образа жизни,

различие между которыми заключается в способе питания и связано с

важнейшим для всего живого процессом — фотосинтезом.

Фотосинтез сопровождается поступлением в атмосферу кислорода.

Подсчитано, что благодаря фотосинтезу весь углекислый газ плане-

278

ты — и в атмосфере, и растворенный в воде — обновляется примерно за

300 лет, а весь кислород — за 2 тыс. лет. По-видимому, нынешнее содер-

жание кислорода в атмосфере (21%) было достигнуто 250 млн. лет назад в

результате интенсивного развития растений.

Предполагается, что многоклеточные организмы родились из одно-

клеточных. Теорию происхождения многоклеточных организмов создал

наш соотечественник, выдающийся ученый И.И. Мечников (1845—1916),

лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1908 г. Много-

клеточные организмы прошли долгий путь эволюции жизни, о чем свиде-

тельствует палеонтологическая летопись, окаменевшие страницы кото-

рой постепенно открывают тайны происхождения жизни.