СВІТ ЖИВОГО

1. Особливості живих систем.

1.1. Істотні риси живих систем.

Життя на Землі надзвичайно різноманітна. Вона представлена ядерними і доядернимі одно-і багатоклітинними істотами. Найбагатший світ багатоклітинних істот представлений трьома царствами - грибами, рослинами і тваринами. Кожне з цих царств у свою чергу представлено різноманітними типами, класами, загонами, родинами, родами, видами, популяціями та особинами. Всі ці таксони є результатом історичного розвитку світу живого, його еволюції. Число видів нині існуючих рослин досягає більше 500 тис., з них квіткових приблизно 300 000 видів. Царство тварин не менш різноманітно, ніж царство рослин, а за кількістю видів тварини перевершують рослини. Описано близько 1 200 000 видів тварин (з них близько 900 000 видів - членистоногих, 110 000 - молюсків, 42 000 - хордових тварин).

Але світ живого ще має і структурно-інваріантний аспект: живе має молекулярної, клітинної, тканинної та іншої структурністю. Переважна більшість нині живих організмів (крім вірусів і фагів) складається з клітин. За ознакою клітинної будови всі живі організми діляться на доклеточние і клітинні. Неклітинні форми життя - віруси (відкриті в 1892 р. російським мікробіологом Д. І. Ивановским) і фаги. Віруси займають проміжне місце між живим і неживим. Вони складаються з білкових молекул і нуклеїнових кислот, не мають власного обміну речовин; поза організму або клітини вони не виявляють ознак життя. Усі клітинні підрозділяються на чотири царства: без'ядерні (бактерії, ціаном), рослини (багрянкі, справжні водорості, вищі рослини), гриби (нижчі та вищі) і, нарешті, тварини (найпростіші і багатоклітинні). Без'ядерні, мабуть, відносяться до найдавніших форм життя на Землі. Крім того, існує безліч спільнот різної складності, що включають як особин одного виду, так і особин, що належать до різних видів.

Біологія ХХ століття поглибила розуміння істотних рис живого, розкрила молекулярні основи життя. В основі сучасної біологічної картини світу лежить уявлення про те, що світ живого - це грандіозна Система високоорганізованих систем. Будь-яка система (і в неорганічної та органічної в природі) складається з елементів (компонентів) і зв'язків між ними (структури), які об'єднують дану сукупність елементів в єдине ціле. Біологічним систем властиві свої специфічні елементи і особливі типи зв'язків між ними.

Спочатку про елементи і компоненти біологічних систем. У такого роду елементах і компонентах виражена дискретна складова живого. Живі об'єкти, системи в природі щодо відокремлені один від одного (особи, популяції, види). Будь-яка особина багатоклітинного тварини складається з клітин. А будь-яка клітина і одноклітинні істоти - з певних органел. Органели утворюються дискретними, звичайно високомолекулярними, органічними речовинами. І крім того, серед живих систем немає двох однакових особин, популяцій і видів.

У той же час складна організація немислима без цілісності. Цілісність породжується структурою системи, типом зв'язків між її елементами. Цілісність біологічними систем якісно відрізняється від цілісності неживого, і перш за все тим, що цілісність живого підтримується в процесі розвитку.

Крім того, всім живим системам властиві такі суттєві риси:

o обмін речовин,

o рухливість,

o подразливість,

o зростання,

o розмноження,

o пристосовність.

Кожне з цих властивостей порізно може зустрічатися і в неживій природі і тому саме по собі не може розглядатися як специфічне для живого. Однак всі разом вони ніколи не характеризують об'єкти неживої природи. Всі разом вони властиві лише світу живого і в своїй єдності є критеріями, що відрізняють живе від неживого.

Живі системи - відкриті системи, вони постійно обмінюються речовинами й енергією із середовищем. Для них характерна негативна ентропія (збільшення впорядкованості), що збільшується в процесі органічної еволюції. У живих системах дуже яскраво проявляється здатність до самоорганізації матерії.

Сучасна молекулярна біологія показала разючу єдність живої матерії на всіх рівнях її розвитку - від найпростішого мікроорганізму до вищого ссавця. З'ясувалося, що існує тільки два основних класи молекул, взаємодія яких визначає те, що ми називаємо життям. Це - нуклеїнові кислоти і білки. Взяті разом, вони і утворюють основу живого.

Живий організм - це множинна система хімічних процесів, в ході яких відбувається постійне руйнування молекулярних органічних структур та їх відтворення. Основою відтворення є синтез білків. Цей синтез відбувається а клітинах організму за допомогою нуклеїнових кислот - ДНК і РНК. Білки - це дуже складні макромолекули, структурними елементами яких є амінокислоти. Структура білка задається послідовністю що утворюють його амінокислот. Причому, характерно те, що з 100 відомих у органічної хімії амінокислот в утворенні білків всіх організмів використовується лише 20 амінокислот. Чому саме ця двадцятка амінокислот, а не які-небудь інші, синтезує білки нашого органічного світу, до цих пір так і не ясно.

Нуклеїнові кислоти мають більш простою структурою. Вони утворюють довгі полімерні цеї, ланками яких виступають нуклеотиди - з'єднання азотистої основи, цукру і залишку фосфорної кислоти. У ДНК підставами служать аденін, гуанін, цитозин і тимін. Ці азотисті основи приєднуються до цукру по одному в різній послідовності. Аденін і гуанін є пуринами, а цитозин, тимін і урацил - пірамідінамі. В РНК тимін замінений урацілом, а цукор дезоксирибоза в ДНК - рибоза в РНК.

1.2.Основние рівні організації живого

Системно-структурні рівні організації різноманітних форм живого досить численні. Серед них: молекулярний, клітинний, тканинний, органний, онтогенетичний, популяційний, видовий, біогеоценотіческій, біосферний. Можуть бути виділені і інші рівні.

Але у всьому такому різноманітті рівнів повинні бути виділені деякі основні рівні. Критерієм виділення основних рівнів повинно бути виступають специфічні дискретні структури і фундаментальні біологічні взаємодії. На підставі таких критеріїв досить чітко виділяються:

o молекулярно-генетичний,

o онтогенетичний,

o популяційно-видовий,

o біогеоценотіческій рівні організації живого.

1.2.1.Молекулярно-генетичний рівень

Знання закономірностей молекулярно-генетичного рівня організації живого - необхідна передумова для ясного розуміння життєвих явищ, що відбуваються на всіх інших рівнях організації життя. У ХХ столітті розвиток хромосомної теорії спадковості, аналіз мутаційного процесу, вивчення будови хромосом, фагів і вірусів, розвиток молекулярної біології, біохімії дозволило розкрити основні риси організації елементарних генетичних структур і пов'язаних з ними явищ.

З'ясовано, що основні структури на цьому рівні несуть у собі коди спадкової інформації, що передається від покоління до поколінню. Ці структури представлені молекулами ДНК (дезоксірібінуклеіновой кислотою), диференційованими по довжині на елементи коду - триплети азотистих підстав, що утворюють гени. Гени на цьому рівні організації життя становлять елементарні одиниці. Основними елементарними явищами, пов'язаними з генами, можна вважати здатність їх до конваріантной редуплікаціі, до локальних структурних змін (мутацій) і здатність передавати що зберігається в них інформацію внутрішньоклітинним управляючих систем.

Кожна молекула ДНК являє собою дві спарені нитки, закручені у спіралі. Кожна з цих ниток з'єднується з інший водневими зв'язками; причому, кожна з таких зв'язків попарно з'єднує або аденін одного ланцюга з тиміном інший, або гуанін з цитозином. Конваріантная редуплікація (самовідтворення з змінами) відбувається по матричному принципом шляхом розриву водневих зв'язків подвійної спіралі ДНК за участю ферменту ДНК-полімерази. Потім кожна з ниток на своїй поверхні будує собі відповідну нитка, після чого нові нитки комплементарно з'єднуються між собою. Піримідинові і пуринові підстави комплементарних ниток "зшиваються" між собою ДНК-полімеразою. Цей процес здійснюється дуже швидко. Так, на самозбірки ДНК кишкової палички, що складається приблизно з 40 тис. пар нуклеотидів, потрібно всього 100 секунд.

У синтезі білків важлива роль належить також і РНК. Синтез білка відбувається в особливих областях клітини - рибосомах. Рибосома інколи образно називають "фабриками білка". Існує принаймні три типи РНК:

1) високомолекулярна РНК, що локалізується в рибосомах;

2) інформаційна - РНК, що утворюється в ядрі клітини;

3) транспортна - РНК.

У ядрі генетичний код переноситься з молекул ДНК на молекулу інформаційної - РНК. Генетична інформація про послідовність і характер синтезу білка переноситься з ядра молекулами інформаційної - РНК в цитоплазму до рибосоми і там бере участь у синтезі білка. Перенесення і приєднання окремих амінокислот до місця синтезу здійснюється транспортній - РНК. Білок, що містить тисячі амінокислот, в живій клітині синтезується за 5 - 6 хв.

Редуплікація, заснована на матричному копіюванні, робить можливим збереження не тільки генетичної норми, але і відхилень від неї, тобто мутацій (основа процесу еволюції).

Таким чином, як при конваріантной редуплікаціі, так і при внутрішньоклітинної передачі інформації використовують єдиний "матричний принцип ": вихідні молекули ДНК і РНК тобто є матрицями, поряд з якими будуються відповідні специфічні макромолекули. Молекули ДНК відіграють роль коду, в якому як би "зашифровані" все синтези білкових молекул у клітинах організму. Більше того, виявилося, що всі біологічні організми, відомі нам на Землі, використовують однаковий генетичний код!

В даний час молекулярною біологією успішно дешифрується закладений в структурі нуклеїнових кислот код, що служить матрицею при синтезі специфічних білкових структур.

1.2.2.Онтогенетіческій рівень

Наступний, більш складний і комплексний рівень організації життя на Землі - онтогенетичний. Онтогенетичний рівень пов'язаний з життєдіяльністю окремих біологічних особин, дискретних індивідуумів. Індивід, особина - неподільна і цілісна одиниця життя на Землі. У многобразной земної органічного життя особи мають різне морфологічне зміст. Тут - і одноклітинні, що складаються з ядра, цитоплазми, органел і безлічі мембран, макромолекул і т. д. Тут - і багатоклітинна особина, утворена з мільйонів і мільярдів клітин. Складність багатоклітинних особин незмірно вище складності одноклітинних. Але й одноклітинна і багатоклітинна особи володіють системною організацією та регулювання і виступають як єдине ціле.

Причому, важливо те, що характеристика особи не може бути вичерпана розглядом фізико-хімічних властивостей макромолекул, що входять до його складу. Розділити особина на частини без втрати "індивідуальності" неможливо. Це дозволяє виділити онтогенетичний рівень як особливий рівень організації життя. Таким чином, на онтогенетичної рівні одиницею життя служить особина - з моменту її виникнення до смерті.

Розвиток особи від освіти зародкової клітини до смерті складає зміст процесу онтогенезу. Онтогенез складається з зростання, переміщення окремих структур, диференціації й ускладнення інтеграції організму. По суті, онтогенез - це процес розгортання, реалізації спадкової інформації, закодованою керуючих структурах зародкової клітини. На онтогенетичної рівні відбувається не тільки реалізація спадкової інформації, а й випробування, перевірка узгодженості і роботи керуючих систем у часі і просторі, прісособленіе до середовища в межах особи та ін Багато галузей біології вивчають процеси та явища, що відбуваються в особи, узгоджене функціонування її органів і систем, механізм їх роботи, роль у життєдіяльності організму, взаємовідносини органів, поведінка організмів, пристосувальні зміни і т.п.

Причини розвитку організму в онтогенезі є предметом грунтовного та інтенсивного вивчення ембріології, біохіміками, генетиками. Але все ще не створена загальна теорія онтогенезу і не показані основні причини та фактори, що визначають сувору впорядкованість процесу онтогенезу. Наявні результати дозволяють зрозуміти тільки деякі окремі процеси, що забезпечують індивідуальний розвиток організму. Перш за все, це стосується вивчення диференціації, тобто освіти різноманітних, спеціалізованих для виконання певних функцій частин організму.

1.2.3.Популяціонно-видовий рівень

Особи в природі не абсолютно ізольовані один від одного, а об'єднані більш високим рангом біологічної організації. Це -- популяційно-видовий рівень. Він виникає там і тоді, де і коли відбувається об'єднання особин в популяції, а популяцій у види. Популяції - Це сукупність особин одного виду, що населяють певну територію, більш-менш ізольовану від сусідніх сукупностей того ж виду. Такі об'єднання характеризуються появою нових властивостей і особливостей в живій природі, відмінних від властивостей молекулярно-генетичного і онтогенетичного рівнів.

Популяції і види, незважаючи на те, що складаються з безлічі особин, цілісні. Але їх цілісність базується на інших підставах, ніж цілісність на молекулярно-генетичному та онтогенетичної рівнях. Цілісність популяцій та видів забезпечується взаємодією особин у популяціях та відтворюється через обмін генетичним матеріалом в процесі статевого розмноження. Популяції і види як надіндівідуальние освіти здатні до існування протягом тривалого часу і до самостійного еволюційному розвитку. Життя окремої особи при цьому знаходиться в залежності від процесів, що протікають у популяціях.

Популяції виступають як елементарні, далі нерозкладних еволюційні одиниці, що представляють собою генетично відкриті системи (особи з різних популяцій іноді схрещуються і популяції обмінюються генетичною інформацією). На популяційно-видовому рівні особливу роль набувають процеси панміксіі (вільне схрещування) і відносини між особинами всередині популяції і виду. Види, завжди виступають як система популяцій, є найменшими, у природних умовах генетично закритими системами (схрещування особин різних видів у природі в переважній більшості випадків не веде до появи плідного потомства). Все це призводить до того, що популяції виявляються елементарними одиницями, а види - якісними етапами процесу еволюції.

Населення - основна елементарна структура на популяційно-видовому рівні, а елементарне явище на цьому рівні - зміна генотипічну складу популяції; елементарний матеріал на цьому рівні - мутації. У синтетичної теорії еволюції виділені елементарні фактори, що діють на цьому рівні: мутаційний процес, популяційні хвилі, ізоляція і природний добір. Кожен з цих факторів може зробити те чи інше "Тиск", тобто ступінь кількісного впливу на популяцію, і залежно від цього викликати зміни в генотипічну складі популяції.

Популяції та види завжди існують у цій системно організованою природному середовищу, яка включає в себе і біотичні і абіотичні фактори. Такі зовнішні для популяцій та видів природні системи утворюють ще один рівень організації живого - біогеоценотіческій.

1.2.4.Біогеоценотіческій рівень

Популяції різних видів взаємодіють між собою. У ході взаємодії вони об'єднуються в складні системи - біоценози.

Біоценоз - сукупність рослин, тварин, грибів і мікроорганізмів, що населяють ділянку середовища з більш-менш однорідними умовами існування і характеризуються певними взаємозв'язками між собою і середовищем проживання. Компоненти, що утворюють біоценоз, взаємозалежні. Зміни, що стосуються тільки одного виду, можуть позначитися на всьому біоценозі і навіть викликати його розпад. Біоценози входять в якості складових частин в ще більш складні системи (співтовариства) - біогеоценози.

Біогеоценоз (екосистема, екологічна система) - взаємообумовлених комплекс живих і абіотичних компонентів, пов'язаних між собою обміном речовин та енергією. Біогеоценоз - одна з найбільш складних природних систем. Біогеоценози - продукт спільного історичного розвитку видів, що розрізняються за систематичним положенням; види при цьому пристосовуються один до одного. Біогеоценози - середовище для еволюції входять до них популяцій.

Біогеоценоз - це цілісна система. Випадання одного або декількох компонентів біогеоценозу може призвести до руйнування цілісності біогеоценозу у кругообігу речовин, що часто веде до незворотного порушення рівноваги і загибелі біогеоценозу як системи. Структура біогеоценозу змінюється в ході еволюції видів: види в біогеоценозах діють один на одного не тільки за принципом прямої, а й зворотного зв'язку (у тому числі за допомогою зміни ними абіотичних умов). В цілому життя біогеоценозу регулюється в основному силами, що діють всередині самої системи, тобто можна говорити про саморегуляції біогеоценозу. Біогеоценоз є незамкнуту систему, яка має енергетичні "входи" і "Виходи", що зв'язують сусідні біогеоценози. Обмін речовин між сусідніми біогеоценозами може здійснюватися в газоподібному, рідкої і твердої фазах, а також у формі міграції тварин.

Біогеоценоз - врівноважена, пов'язана з собою і стійка в часі система, яка є результатом тривалої і глибокої адаптації складових компонентів. Це - дуже динамічна і в той же час стійка сообщность. Стійкість біогеоценозу пропорційна різноманіттю його компонентів. Чим многообразнее біогеоценоз, тим він, як правило, стійкіше в часі і просторі. Так, наприклад, біогеоценози, представлені тропічними лісами, набагато стійкіші біогеоценозів в зоні помірного або арктичного поясів, так як тропічні біогеоценози складаються з набагато більшого безлічі видів рослин і тварин, ніж помірні і тим більше арктичні біогеоцнози.

високоорганізовані організми для свого існування потребують більш простих організмах; кожна екосистема незмінно містить як прості, так і складні компоненти. Біогеоценоз тільки з бактерій або дерев ніколи не зможе існувати, як не можна уявити екосистему, населену лише хребетними або ссавцями. Таким чином, нижчі організми в екосистемі - це не якийсь випадковий пережиток минулих епох, а необхідна складова частина біогеоценозу, цілісної системи органічного світу, основа його існування та розвитку, без якої неможливий обмін веществоі і енергією між компонентами біогеоценозу. Первинною основою для складання біогеоценозів служать рослини і мікроорганізми, продуценти органічного речовини (автотрофи). У ході еволюції до заселення рослинами та мікроорганізмами певного простору біосфери не може бути й мови про заселення його тваринами. Рослини та мікроорганізми являють життєве середовище для тварин - гетеротрофів. Тому і межі біогеоценозів найчастіше збігаються з межами рослинних угруповань (фітоценозів). Згодом і тварини відіграють важливу роль у житті й еволюції рослин, беручи участь у кругообігу речовин, запилення, поширення плодів і т. д.

Вся сукупність пов'язаних між собою кругообігом речовин і енергії біогеоценозів на поверхні нашої планети утворюють потужну систему біосфери Землі. Верхня межа життя в атмосфері досягає приблизно 30 км, найбільша кількість організмів зустрічається на висоті до 100 м. У глиб ж Землі (літосфера) основна маса істот зосереджена в самому верхньому шарі - до 10 м, хоча окремі види мікроорганізмів зустрічаються в нафтоносних шарах на глибині до 3 км. В океані і морях (гідросфера) зона, багата живими організмами, займає шар води до 100 - 200 м, але деякі організми зустрічаються і на максимальній глибині - до 11 км. Про масштаби діяльності живих організмів свідчить присутність потужних біогенних порід, тисячеметрових товщ вапняку, величезних покладів кам'яного вугілля і т. п. Розглядаючи біосферу Землі як єдину екологічну систему, можна переконатися, що жива речовина Землі істотно не зменшується і не збільшується в масі, а тільки переходить з одного стану в інший.

Розділ біології, який вивчає екологічні системи (біоценози, біогеоценози, біосферу) називається Біогеоценологія. Засновником її був наш видатний вітчизняний вчений В.Н. Сукачов.

Таким чином, молекулярно-генетичний, онтогенетичний, популяційно-видовий і біоценотіческій рівні - чотири основних рівня організації життя на Землі.

2. Виникнення життя на Землі

2.1. Розвиток уявлень про походження життя

Походження життя - одна з трьох найважливіших світоглядних проблем, разом з проблемою походження нашого Всесвіту і проблемою походження людини і суспільства.

Спроби зрозуміти, як виникла й розвивалося життя на Землі, з'явилися у людини ще в глибоку давнину. В античності склалися два протилежні підходи до вирішення цієї проблеми. Перший, релігійно-ідеалістичний, виходив з того, що виникнення життя не могло здійснитися природним, об'єктивним, закономірним чином на Землі; життя є наслідком божественного творчого акту (креаціонізм) і тому всім істотам притаманна особлива, незалежна від матеріального світу "життєва сила" (vis vitalis), яка і направляє всі процеси життя (віталізм).

Поряд з ідеалістичним підходом, ще в давнину склався і матеріалістичний підхід до цієї проблеми, в основі якого лежало уявлення про те, що живе може виникнути з неживого, органічне з неорганічного під впливом природних факторів. Так склалася концепція самозародження живого з неживого. Ідея самозародження набула широкого поширення за часів Середньовіччя та Відродження, коли допускалася можливість самозародження не тільки простих, але і досить високоорганізованих істот, навіть ссавців (наприклад, мишей з ганчір'я). Наприклад, в трагедії В. Шекспіра "Антоній і Клеопатра" Леонід говорить Марку Антонію: "Ваші єгипетські гади заводяться в багнюці від променів вашого єгипетського сонця. Ось, наприклад, крокодил ...". Відомі спроби Парацельса (1485-1540) розробити рецепти штучного одержання людини (гомункулуса).

Неможливість довільного зародження життя була доведена цілим рядом дослідів. Італійський вчений Ф. Реді (1626-1698) експериментально довів неможливість самозародження скільки-небудь складних тварин. Застосування мікроскопа в біологічних дослідженнях сприяло відкриття великого різноманіття одноклітинних організмів. На цій основі знову відродилися старі ідеї довільного самозародження найпростіших істот. Остаточно версія про самозародження була розвінчана Л. Пастером в середині XIX ст. Пастер показав, що не тільки в запаяному посудині, а й незакритій колбі з довгою S - образної горловиною добре прокип'ячений бульйон залишається стерильним, тому що в колбу через таку горловину не можуть проникнути мікроби. Так було доведено, що в наш час якої б то не було новий організм може з'явитися тільки від іншої живої істоти.

Поява життя на Землі пробували пояснити занесенням її з інших космічних світів. У 1865 р. німецький лікар Г. Ріхтер висунув гіпотезу Космозоо (космічних зачатків), відповідно до якої життя є вічною і зачатки, які населяють світовий простір, можуть переноситися з однієї планети на іншу. Ця гіпотеза була підтримана багатьма видатними вченими ХIХ століття - В. Томсоном, Г. Гельмгольцем та іншими. Подібну гіпотезу висунув у 1907 р. і відомий шведський природознавець С. Арреніус. Його гіпотеза отримала назву панспермії: у Всесвіті вічно існують зародки життя, які рухаються в космічному просторі за тиском світлових променів; потрапляючи в сферу притягання планети, вони осідають на її поверхні і закладають на цій планеті початок живого.

Зараз вже визначено з'ясовано, що "абетка" живого порівняно проста: в будь-якому істоту, що живе на Землі, присутній 20 амінокислот, п'ять підстав, дві вуглеводу й один фосфат. Існування невеликого числа одних і тих самих молекул у всіх живих організмах переконує нас, що все живе повинно мати єдине походження.

Заперечення можливості самозародження життя в даний час не суперечить уявленням про принципову можливість розвитку органічної природи і життя в минулому з неорганічної матерії. На певній стадії розвитку матерії життя може виникнути як результат природних процесів, що відбуваються в самій матерії. Крім того, елементарні хімічні процеси на початкових етапах виникнення і розвитку життя могли відбуватися не тільки на Землі, але й в інших частинах Всесвіту і в різний час. Тому не виключається можливість занесення певних предпосилочних факторів життя на Землю з Космосу. Однак у вивченої поки людиною частини Всесвіту тільки на Землі вони призвели до формування та розквіту життя.

2.2. Виникнення життя

З позицій сучасного наукового світогляду життя виникло з неживої речовини, тобто відбулася в результаті еволюції матерії, є результат природних процесів, що відбувалися у Всесвіті. Життя - це властивість матерії, яке раніше не існувало і з'явилося в особливий момент історії нашої планети Земля. Виникнення життя стало результатом послідовних процесів, протікаючих спочатку мільярди років у Всесвіту, а потім на Землі багато мільйонів років. Від неорганічних сполук до органічних, від органічних - до біологічних - такі послідовні стадії, за яким здійснювався процес зародження життя.

Вік Землі обчислюється приблизно в 5 млрд. років. Життя існує на Землі, мабуть, більше 3,5 млрд. років. Ознаки діяльності живих організмів виявлені багатократно в докембрійських породах, розсіяних по всій земній кулі.

У складному процесі виникнення життя на Землі можна виділити кілька основних етапів. Перший з них пов'язаний з процесами освіти найпростіших органічних сполук з неорганічних.

2.2.1. Освіта простих органічних сполук

Походження життя пов'язане з протіканням певних хімічних реакцій на поверхні первинної планети. Які ж основні етапи хімічної еволюції життя?

На початкових етапах історії Землі вона представляла собою розпечену планету. Внаслідок обертання при поступовому зниженні температури атоми важких елементів переміщувалися до центру, а в поверхневих шарах концентрувалися атоми легких елементів (водню, вуглецю, кисню, азоту), з яких і складаються тіла живих організмів. При подальшому охолодженні Землі з'явилися хімічні сполуки: вода, метан, вуглекислий газ, аміак, ціаністий водень, а також молекулярний водень, кисень, азот. Фізичні та хімічні властивості води (високий дипольний момент, в'язкість, теплоємність і т. д.) і вуглецю (трудність освіти оксидів, здатність до відновлення і утворення лінійних з'єднань) визначили те, що вони опинилися біля колиски життя.

На цих початкових етапах склалася первинна атмосфера Землі, яка носила не окислювальний, як зараз, а відновлювальний характер. Крім того, вона була багата інертними газами (гелієм, неоном, аргоном). Ця первинна атмосфера вже втрачена. На її місці утворилася друга атмосфера Землі, що складається на 20% з кисню - одного з найбільш хімічно активних газів. Ця друга атмосфера - продукт розвитку життя на Землі, одне з його глобальних наслідків.

Подальше зниження температури зумовило перехід ряду газоподібних сполук в рідкий і твердий стан, а також утворення земної кори. Коли температура поверхні Землі опустилася нижче 100 ° C сталося згущення водяних парів та освіта води. Тривалі зливи з частими грозами призвели до утворення великих водойм. В результаті активної вулканічної діяльності з внутрішніх шарів Землі на поверхню виносилося багато розпеченої маси, у тому числі карбідів - сполук металу з вуглецем. При взаємодії карбідів з водою виділялися вуглеводневі сполуки. Гаряча дощова вода як добрий розчинник мала у своєму складі розчинені вуглеводні, а також гази (аміак, вуглекислий газ, ціаністий водень), солі та інші сполуки, які могли вступати в хімічні реакції. Так поступово на поверхні молодої планети Земля накопичувалися найпростіші органічні сполуки. Причому, накопичувалися у великих кількостях. Підрахунки показують, що тільки за допомогою вулканічної діяльності на поверхні Землі могло утворитися близько 1 0 n кг органічних молекул, де n = 1 6. Це всього на 2-3 порядки менше маси сучасної біосфери!

Разом з тим, і астрономічними дослідженнями встановлено, що і на інших планетах і в космічній газопилової матерії є вуглецеві з'єднання, у тому числі і вуглеводні.

2.2.2. Виникнення складних органічних сполук

Другий етап біогенезу характеризувався виникненням більш складних органічних сполук, зокрема, білкових речовин у водах первинного океану. У ту давню пору на Землі були сприятливі умови для цих процесів. Висока температура, грозові розряди, посилене ультрафіолетове випромінювання приводили до того, що відносно прості молекули органічних сполук при взаємодії з іншими речовинами ускладнювалися і утворювалися вуглеводи, жири, амінокослоти, білки і нуклеїнові кислоти.

Можливість такого синтезу була доведена дослідами А.М. Бутлерова (1828-1886), який ще в середині минулого століття з формальдегіду отримав вуглеводи (цукор). У 1951-1957 рр.. американський хімік С. Міллер із суміші газів (аміаку, метану, водяного пара, водню) при 70-80 ° С і тиск у кілька атмосфер під впливом електричних розрядів напругою 60 000 вольт і ультрафіолетових променів синтезував низку органічних кислот, у тому числі амінокислот (гліцин, аланін, аспарагінову і глутамінової кислоти), які є матеріалом для утворення білкової молекули. Таким чином, були змодельовані умови первинної атмосфери Землі, за яких могли утворюватися амінокислоти, а при їх полімеризації - і первинні білки.

Експерименти в цьому напрямку виявилися перспективними. Вони показали, що (при використанні інших співвідношень вихідних газів і видів джерела енергії) шляхом реакції полімеризації з простих молекул могли бути утворені і більш складні молекули: білки, ліпіди, нуклеїнові кислоти та їх похідні. Пізніше була доведена можливість синтезу в умовах лабораторії та інших складних біохімічних з'єднань, у тому числі білкових молекул (інсуліну), азотистих основ нуклеотидів. Особливо важливо те, що лабораторні експерименти зовсім виразно показали можливість утворення білкових молекул в умовах відсутності життя.

З певного етапу в процесі хімічної еволюції активну участь бере кисень. В атмосфері Землі кисень міг накопичуватися в результаті розкладу води і водяної пари під дією ультрафіолетових променів Сонця. (Для перетворення відновленої атмосфери первинної Землі в окислених було потрібно не менше 1 - 1,2 млрд. років). З накопиченням в атмосфері кисню відновлені з'єднання почали окислюватися. Так, при окисленні метану утворились метиловий спирт, формальдегід, мурашина кислота і т. д., які разом з дощовою водою попадали в первинний океан. Ці речовини, вступаючи в реакції з аміаком і ціанистим воднем, дали початок амінокислот і з'єднанням типу аденіну. Важливо і те, що більш складні органічні сполуки є більш стійкими, ніж прості з'єднання, перед руйнівним дією ультрафіолетового випромінювання.

Аналіз можливих оцінок кількості органічної речовини, що накопичилося неорганічним шляхом на ранній Землі, вражає: за деякими розрахунками (К. Сагана) за 1 млрд. років над кожним кв. см. земної поверхні утворилися кілька кілограмів органічних сполук. Якщо їх всі розчинити у світовому океані, то концентрація розчину була б приблизно 1%. Це досить концентрованийний "органічний бульйон". У такому "бульйоні" міг цілком успішно розвиватися процес утворення більш складних органічних молекул. Таким чином, води первинного океану поступово все більш наситились різноманітними органічними речовинами, утворюючи "первинний бульйон". І, як показують розрахунки, насиченню такого "органічного бульйону "значною мірою сприяла ще й діяльність підземних вулканів.

2.2.3. "Первинний бульйон" і освіта коацерватів

Подальший етап біогенезу пов'язаний з концентрацією органічних речовин, виникненням білкових тіл.

У водах первинного океану концентрація органічних речовин збільшувався, відбувалося їх змішування, взаємодія і об'єднання в дрібні відокремлені структури розчину. Такі структури легко можна отримати штучно, змішуючи розчини різних білків, наприклад, желатину і альбуміну. Ці відокремлені в розчині органічні многомолекулярние структури наш видатний вітчизняний вчений А.І. Опарін назвав коацерватнимі краплями або коацерватами. Коацервати - колоїдальних найдрібніші частинки - краплі, осмотичним володіють властивостями. Коацервати утворюються в слабких розчинах. Внаслідок взаємодії протилежних електричних зарядів відбувається агрегація молекул. Дрібні сферичні частинки виникають тому, що молекули води створюють навколо утворився агрегату поверхню розділу.

Дослідження показали, що коацервати мають досить складну організацію і мають ряд властивостей, які зближують їх з найпростішими живими системами. Так, наприклад, вони здатні поглинати з навколишнього середовища різні речовини і збільшуватися в розмірі. Поглинання речовини вступають у взаємодію із з'єднаннями самої краплі. Ці процеси в якійсь мірі нагадують первинну форму асиміляції. Разом з тим, у коацерватах можуть відбуватися і процеси розпаду, а також виділення продуктів розпаду. Співвідношення між цими процесами у різних коацерватів неоднаково. Виділяються окремі спільні більш стійкі структури з переважанням синтетичної діяльності. Зовнішня схожість структур і деяких процесів, які відбуваються в коацерватах, ще не дає підстави для віднесення їх до живих систем, тому що вони позбавлені здатності до самовідтворення та саморегуляції синтезу органічних речовин. Але важливі передумови виникнення живого в них вже містилися.

Перш за все, коацервати пояснюють появу біологічних мембран. Утворення мембранної структури вважається самим "Важким" етапом хімічної еволюції життя. Істинне істота (у вигляді клітки, нехай навіть самої примітивної) не могло оформитися до виникнення мембранної структури і ферментів. Біологічні мембрани, як відомо, складають агрегати білків і ліпідів, здатні розмежувати речовини від середовища і надати упаковці молекул міцність. Мембрани могли виникнути в ході формування коацерватів.

Підвищена концентрація органічних речовин в коацерватах збільшувала возм