В 20-х годах двое ученых независимо друг от друга, русский О.Опарин и английский Д. Холдейн, сформулировали биохимическую гипотезу возникновения жизни.
Они высказали мнение, что атмосфера первичной Земли была не такой, как сейчас. Главными ее особенностями присутствовали восстановительные процессы и отсутствие свободного кислорода. В этих условиях под действием мощных электрических зарядов (молнии) и солнечного излучения в атмосфере могли образоваться из неорганических веществ (аммиака, водяного пара, водорода, азота, углекислого газа, а также метана) простые органические соединения (моносахариды, нуклеотиды, аминокислоты и небольшие цепочки из аминокислот).
Образование жизни согласно гипотезе Опарина-Холдейна
Статья: Гипотеза Опарина-Холдейна
В настоящее время биохимическая гипотеза российского биохимика А. И. Опарина (1922) принимается за основу эволюционной теории органического мира. Согласно данной теории из простых неорганических соединений - карбидов, окислов горных пород, аморфного углерода и водорода - могли создаваться первичные органические вещества - возможно, углеводороды. Энергию для этих реакций, вероятно, поставляла интенсивная солнечная радиация (главным образом ультрафиолетовая). Таким же образом, благодаря радиации, газовым разрядам, высокой температуре и химическим реакциям образовывались соединения, подобные биологическим соединениям:
- липидам,
- аминокислотам,
- нуклеиновым кислотам и др.
Соединения эти накапливались как в земной атмосфере, так и в океане. Находясь в воде, эти вещества образовывали сгустки в результате объединения молекул и построения их комплексов. Такие сгустки называют коацерватными каплями или коацерватами. Такие коацерваты, благодаря гидрофильным и гидрофобным свойствам входящих в них молекул, способны избирательно адсорбировать вещества из окружающей среды и набирать определенную структуру, то есть между коацерватами и средой установился прообраз обмена веществ. На границе между коацерватами и внешней средой собирались молекулы липидов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны.
По мере роста коацерваты могли распадаться на более мелкие капли, было прообразом размножения - большинство мелких коацерватов также были способны к избирательной адсорбции. Таким образом, коацерватные капли имели первоначальные свойства живого - обмен веществ и способность к размножению.
Воссоздание процессов эволюции в лаборатории
Ряд описанных А. И. Опариным процессов были воссозданы в лаборатории. Так, в 1953 Стэнли Мишером в своих экспериментах моделировал условия, которые существовали на первобытной Земле. В созданном им приборе, подвергая воздействию электрических разрядов смесь метана, аммиака, водорода и паров воды, он синтезировал аминокислоты, спирты, сахара, альдегиды и др.
В 1959 году российские ученые А. П. Терентьев, Т. Е. Павловская и др. показали, что синтез сложных органических соединений ускоряется при воздействии ультрафиолетового излучения. Позже был разработан лабораторный метод синтеза РНК в результате проведения подобных экспериментов.
Это стало переломным моментом, так как полинуклеотиды способны уже к качественно новой химической реакции - матричному синтезу, то есть к самоудвоению. С тех пор теория Опарина завоевала научное признание. Однако убедительно объяснить возникновение механизма, с помощью которого РНК направляла бы синтез белков, появление ДНК и способность живых систем к самовоспроизведению, эта теория не смогла.
Возникновение первых клеток и их последущая эволюция
Возможная последовательность событий должна была привести к возникновению первых клеток - примитивных, прокариотических, гетеротрофных организмов, питающихся органическими веществами "первичного бульона". Это произошло примерно 3-3,5 млрд. лет назад. Первые организмы размножались и питались, истощая запасы пищи в океане.
Предполагается, что в ходе биохимической эволюции создавалась огромное количество сложных органических веществ. Некоторые из них оказались способными к фотохимическим реакциям. Включение этих веществ в уже существующие клетки позволило последним осуществлять эти реакции с одновременным синтезом новых клеточных материалов. Так, некоторые клетки стали автотрофным. Появление автотрофов ускорило конкуренцию гетеротрофвв за еду. Одни из первых фотосинтезирующих организмов были похожи на современные прокариотические синезеленые водоросли. Это были первые растительные организмы на Земле.
Постепенно с распространением фотосинтезирующих организмов количество кислорода в океане и атмосфере стало увеличиваться. Его ионизация привела к образованию озонового слоя атмосферы, уменьшив тем самым интенсивность ультрафиолетовой радиации, достигающей Земли. Синтез сложных органических веществ резко уменьшился, что уменьшило количество гетеротрофов, но одновременно повысило устойчивость процветающих форм жизни - автотрофов.
Если до этого мир был богат анаэробными прокариотических организмами, то в присутствии большого количества кислорода они оказались в невыгодных для естественного отбора условиях, так как в это время уже существовали организмы, которые использовали аэробное окисление молекул пищи. В таких условиях некоторые анаэробы вымирают, другие заполняют экологические ниши, практически лишенные кислорода. Третьи вступают в симбиоз с аэробными клетками и позже образуют с ними прочную ассоциацию. Так выглядит современное представление возникновения клеток эукариотического типа. Главная их особенность заключается в том, что в отличие от прокариот они уже имеют оформленное ядро, в котором находится большая часть клеточной ДНК.
Таким образом, все современные одноклеточные и многоклеточные организмы делятся на две группы - прокариоты и эукариоты.
- К прокариотам относятся только бактерии и сине-зеленые водоросли (цианобактерии).
- К эукариотам - зеленые растения (в том числе и другие водоросли), грибы и животные.
Первые эукариоты возникли около 3 млрд. лет назад и по сей день остаются господствующей формой организмов на Земле.
