Хімічний етап еволюції біосфери

Чибисова Н.В., Долганов Є.К.

Всі процеси, що відбуваються на нашій планеті, як природні, так і антропогенні - по суті своїй представляють рух хімічних елементів, перетворення, перетворення їх з'єднань.

Виникнення життя з неживого (косної) речовини було хімічним процесом, який здійснюється в строго визначеної послідовності та закономірності. Погляди Е. Геккеля (1834-1919) стали основою витоків хімічної гіпотези еволюції, згідно з якими спочатку з'явилися підключення вуглеводу під дією суто хімічних і фізичних причин. Ці речовини представляли собою не розчини, а суспензії маленьких «Грудочок», здатних до зростання та накопичення речовини. Зростання відбувався до певної межі, за яким слід було поділ. У результаті диференціювання «грудочок» в них виникало ядро. З'явилася ядерна клітина -- вихідна форма для живих істот на землі.

Концепція А.І. Опаріна і його послідовників заснована на уявленнях про відновлювальної (метан, аміак), окисної (фотохімічні розщеплення Н2О і СО2) та нейтральною (СО2 і N2) складових первинної стародавньої атмосфери Землі.

У водному середовищі, наповненою «перворідства» хімічними речовинами - амонійного і фосфорними солями, - в достатку світла і тепла здійснювався абіогенним синтез всіляких нескладних органічних сполук. Як наслідок складних фізико-хімічних процесів виникла первинна жива система - колоїдна слиз, що проявляє функції асиміляції і росту.

Колоїдна слиз, або стійкі напіврідкі згущення, - Коацервати (від лат. Коацерватус) могли руйнуватися, створюватися знову, а при досягненні певного розміру розпадатися на дочірні освіти, тобто ділитися. Окремі «краплі» могли утворювати групи (колонії). У підсумку стався якісний стрибок: збереглися лише ті «краплі», які містили в собі материнські ознаки і отримали здатність до відтворення. Ці «краплі» змогли вибірково поглинати речовини з навколишнього розчину і позбуватися непотрібних сполук. Це стало початком обміну речовин і в подальшому призвело до функціональної спеціалізації окремих частин коацерватів. Вважається, що з виникненням самовідтворення коацерватная крапля перетворилася на найпростіше живе утворення, тобто в одноклітинний організм.

Новітня концепція К. Воуз (див. табл. 2.1) при моделюванні вихідної самовідтворюваної системи наділяє її властивостями, відображають всі останні досягнення молекулярної біології і біохімії.

Таблиця

Хімічні гіпотези виникнення життя

Цікава космічна (хімічна) гіпотеза Г. В. Войткевич, відповідно до якої утворення органічної речовини відбувається в космічному просторі, що заноситься на землю космічної пилом. Частинки космічного пилу складаються з ядра силікатного складу, оточеного оболонкою з органічних речовин. Спочатку навколо ядра формується ядерна оболонка. Під дією ультрафіолетового випромінювання розчинені у воді аміак метан і перетворюються на реакційноздатні радикали, які, взаємодіючи один з одним в різних комбінаціях, утворюють численні органічні з'єднання. При руйнуванні цих пилинок хімічні сполуки утворюють молекулярні хмари, розсіяні в космічному просторі. Численні органічні речовини знайдені в метеоритах (вуглеводні, вуглеводи, азотні підстави, амінокислоти і навіть хлорофіл і т.д.). Не виключено, що в космічних просторах могли утворитися нуклеотиди, і навіть молекули ДНК. Проте хімічна еволюція на більшості планет Сонячної системи як би заморожена, і лише на Землі виявилися умови для її реалізації. На первинної Землі був весь набір органічних сполук, синтезованих у космосі.

Розігрів планети був, імовірно, не настільки інтенсивним, щоб зруйнувалася вся органіка космічного походження. Її загальна маса, за підрахунками даного автора, була на два порядки вище, ніж загальна кількість сполук вуглецю в наш час. У цих умовах і з'явилося живе речовина, що «концентрувалося» навколо виникли абіогенне молекул ДНК. Біохімічна еволюція надалі привела до появи та відокремлення окремих організмів.

Новітні дані по хімічному складу планет, Сонця, різних зірок, речовини міжзоряного простору дані в таблицях 2.2 і 2.3.

Таблиця 2.

Хімічний склад міжзоряного простору (Raymand, Talbot, 1980)        

Елементи щодо водню             

Н 1,0         

З 3,7 х10-4         

Si 3,5 х10-5             

Не 0,1         

N 1,2 х10-4         

S 1,6 х10-5                      

Про 6,8 х10-4         

Fe 2,5 х10-5                               

Mg 3,6 х10-5     

У елементному складі космічного речовини переважають біофільние елементи: Н, О, С, N; в помітних кількостях міститися Si, S, Fe, Mg, Al, P, Ca, К. Можливо, саме ці біофільние елементи і з'єднання сприяли виникненню живої речовини на Землі. Особливо важливо відкриття постійної присутності в міжзоряному просторі різних молекул типу формальдегіду, ацетальдегіду та інші, які могли послужити основою для синтезу органічних полімерів, нуклеїнових кислот, полісахаридів і дати початок життя (Ковда, 1985).

Таблиця 3

Виявлені міжзоряні молекули (Raymand, Talbot, 1980)        

Н2         

Н2О         

NH3         

HC3N         

CH3OH         

CH3C2H         

НСООСН3         

(СН3) 2О             

ОН         

Н2S         

H2CO         

HCOON         

CH3CN         

CH3CHO                  

СН3СН2ОН             

SiO         

SO2         

HNCO         

CH2NH         

NH2CHO         

NH2CH3                  

СН3СН2СN             

SiS         

HCN         

H2CS         

H2CCO                  

CH2CHCN                  

НС7N             

NS         

HNC         

C3N         

NH2CN                  

HC5N                               

CH +         

OCS                                                                   

CH         

HCO +                                                                   

CN         

HCO                                                                   

CO         

CCH                                                                   

CS         

N2H +                                                           

Основоположник сучасного вчення про біосферу, видатний російський геохімік В.І. Вернадський, припускав, що виникнення життя і біосфери на Землі є неминучим наслідком еволюції космосу, і в особливості присутності найпростіших органічних речовин у Всесвіті (Вернадський, 1967). Невідомо, чи є ці молекули продуктами абіотичного синтезу або залишками загиблих біосфер інших планет, але присутність органічних сполук у Всесвіті, на думку В.І. Вернадського, є стійкою і обов'язковою особливістю космосу.

В історії Землі маловідомий стерильний період (2 -- 2,5 млрд. років) супроводжувався неодноразовим радіоактивним розігрівом і самоплавленіем планетної маси і оформленням сучасних структур Землі: ядра, представленого важкими металами, кам'яної силікатної оболонки - мантії, водної та газової оболонок. Базальт і перекривають їх граніти різних генерацій є ніби фундаментом земної кори, закритою товщами наступних осадових порід. Радіоактивний розігрів мантії, тектонічні розриви, вулканізм неодноразово вели до змін базальтових лав, переплавленого осадових порід, виходу на поверхню парів і мас води, газів, розчинів. У складі газів довгий час переважав аміак, вуглекислота, сірководень, метан. Великі планетарні простору виявилися зайнятими водами первинного океану. Остигання лав, рух водних і газових мас, фізико-хімічне вивітрювання і розчинення магматичних порід під впливом вуглекислоти, формування осадових порід, що складаються з вапняків, кварцитів, крем'яних відкладень, сланців, було початковим абіотичних періодом еволюції. У цікавому огляді розвитку життя (Корже, 1974) згадуються знахідки залишків бактерій, що жили 2,7 - 3,1 млрд. років тому. Але розвиток і рясні форми життя і маси живої речовини склалися значно пізніше: 1,0 - 1,5 млрд. років тому, в основному у Світовому океані.

Поява розвиненою життя було початком формування біосфери.

Узагальнюючи вищевикладене, можна зазначити, що перший етап виникнення життя розглядається сучасною наукою як етап хімічної еволюції. В умовах високих температур, підвищеної вулканічної діяльності, сонячного випромінювання з метану, аміаку та водню утворилися прості органічні сполуки. У первинному океанічному «бульйоні» в результаті взаємодії ціановодорода і альдегідів в присутності аміаку були синтезовані амінокислоти, одночасно відбувалося утворення простих цукрів (араб, дезоксирибози). У водному середовищі утворилися основні компоненти нуклеїнових кислот, приблизно дві з основних чотирьох нуклеїнових кислот: аденін і гуанін. Емпіричну формулу молекули аденіну С5Н5N5 можна представити у вигляді п'яти об'єднаних молекул ціановодорода НСN.

Рибоза і дезоксирибоза в поєднанні з основами нуклеїнових кислот (аденін, гуанін, цитозин, тимін) утворили нуклеозиди, які, в свою чергу, в поєднанні з фосфатами - нуклеотиди - найпростіші складові нуклеїнових кислот.

Наступний етап - полімеризація «малих» молекул у більш великі, тобто освіта власне нуклеїнових амінокислот і білків, що супроводжується виділенням води - дегідратацією.

Всі ці процеси, проте, передують біологічної еволюції, яка почалася з утворення клітин і одноклітинних організмів.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.xumuk.ru/