Сущность теории биохимической эволюции
Из множества теорий, пытающихся объяснить процесс возникновения жизни на Земле, наиболее популярной и признанной в научном мире является теория биохимической эволюции. эта теория была предложена в 1924 году, автором теории стал советский ученый А. И. Опарин.
Сущность теории Опарина заключается в том, что биологической эволюции предшествовала химическая.
Химическая эволюция – это достаточно длительный период в истории Земли, который связан с возникновением, усложнением и усовершенствованием взаимодействия между органическими молекулами – элементарными единицами, из которых состоит все живое.
Большинство ученых, в частности, геологов и астрономов, полагают, что Земля как небесное тело была сформирована примерно 5 миллиардов лет назад. Формирование Земли произошло в процессе конденсации частиц газопылевого облака, вращавшегося вокруг Солнца.
В период формирования планета представляла собой раскаленный шар, а температура ее поверхности достигала до 8000°С. В процессе излучения тепловой энергии в космическое пространство, поверхность Земли постепенно начинает остывать. По подсчетам ученых, примерно 4 миллиарда лет назад поверхность Земли остыла до такой степени, что на поверхности сформировалась твердая кора. Одновременно с этим из недр Земли выделяются легкие, газообразные вещества, которые поднимаются вверх и формируют первичную атмосферу.
Состав первичной атмосферы значительно отличался от состава современной атмосферы. В первую очередь, в атмосфере древней Земли не присутствовал свободный кислород. В состав первичной атмосферы входили такие вещества, как водород, аммиак, метан, азот, пары воды, а также окись углерода и двуокись углерода.
Именно отсутствие в атмосфере древней Земли свободного кислорода является предпосылкой формирования жизни, так как кислород окисляет органические соединения и тем самым разрушает их. Если бы в первичной атмосфере присутствовал свободный кислород, накопление большей части органических веществ на древней Земле было бы невозможным.
При достижении температуры первичной атмосферы в 100°С, в ней начинается процесс синтеза простых органических молекул – аминокислот, жирных кислот, нуклеотидов, многоатомных спиртов, простых сахаров, органических кислот и т. д. В качестве энергии для такого синтеза выступают грозовые разряды, жесткое космическое излучение, деятельность вулканов и ультрафиолетовое излучение Солнца. От солнечного излучения первичная Земля еще не была защищена озоновым экраном. Основным источником энергии для абиогенного синтеза органических веществ ученые считают именно ультрафиолетовое излучение.
Образование первичного бульона
Когда температура атмосферы древней Земли опускается ниже 100°С, образуется первичный океан, начинается процесс синтеза простых органических молекул, а далее и сложных биополимеров.
В первичном океане появляются коацерватные капли, которые стали прообразами живых организмов и сформировали первичный органический бульон. Коацерватные капли обладают своеобразным подобием обмена веществ:
- способны избирательно впитывать из раствора некоторые вещества и выделять продукты их распада в окружающую среду и расти
- начинают размножаться при достижении определенного размера: от большой капли отделяются маленькие капельки, которые также могут расти и размножаться
- в результате смешивания под воздействием ветра и волн коацерватные капли могут покрываться оболочкой из липидов. Оболочка может быть одинарной, схожей с мицеллами мыла – при однократном отрыве капли от поверхности, либо двойной, которая напоминает клеточную мембрану. Двойная оболочка формируется при повторном падении капли, уже покрытой одним слоем липидной мембраны.
Описанные процессы формирования коацерватных капель, их роста и размножения, а также покрытия двойной липидной мембраной пленкой моделируются в условиях лаборатории. Соответственно, процессы абиогенного синтеза органических молекул можно воспроизвести в модельных экспериментах, что и было сделано учеными.
Эксперименты по абиогенному синтезу органических веществ
В 1828 году известным немецким химиком Ф. Велером было синтезировано из неорганического вещества - циановокислого аммония органическое вещество – мочевина.
Позже, в 1953 году американским исследователем Стенли Миллером была воспроизведена первичная атмосфера Земли, состоявшая, согласно предположениям ученых, из аммиака, метана и паров воды. Через эту газовую смесь, содержащуюся в стеклянной колбе, в которую были впаяны электроды, Миллер на протяжении недели пропускал электрические разряды, которые имитировали грозовые. В результате эксперимента в колбе были обнаружены α-аминокислоты (глицин, аланин, аспарагин, глутамин), мочевина, у-оксимасляная кислота и органические кислоты – гликоловая, молочная, янтарная, уксусная. Повторение этого эксперимента в результате дало получение отдельных нуклеотидов и коротких полинуклеотидных цепочек, состоящих из пяти-шести звеньев.
Позже Дж. Оро получил аденин путем умеренного нагревания смеси, состоявшей из азота, аммиака, углерода и воды. В процессе взаимодействия аммиачного раствора мочевины и соединений, образующихся из газов под воздействием электрических разрядов, был получен урацил.
В 1980-е годы при проведении похожих экспериментов Л. Орджелу удалось синтезировать нуклеотидные цепи, длина которых составляла шесть мономерных единиц.
Затем С. Акабюри сумел получить полимеры простейших белков.
Процесс абиогенного синтеза органических молекул может осуществляться на Земле и в настоящее время, например, в результате вулканической деятельности. этим объясняется то, что при вулканических выбросах обнаруживается не только синильная кислота, которая является предшественником нуклеотидов и аминокислот, но и отдельные нуклеотиды, аминокислоты и даже порфирины, которые имеют сложное строение.
Абиогенный синтез органических веществ может происходить не только на Земле, но и в условиях космического пространства. Например, простейшие аминокислоты были обнаружены в составе комет и метеоритов.
