Виникнення життя на Землі

Поєднання нещодавно отриманих мікропалеонтологічних, біогеохімічних та ізотопних даних свідчать про те, що життя на Землі існувало стільки часу, скільки існувала і сама планета – близько 4, 5 млрд. років. Земля належить до внутрішніх планет Сонячної системи, і перші органічні речовини зароджувалися ще в космічних умовах. Усі органічні сполуки, які знайдені в метеоритах, відповідають універсальним ланкам обміну речовин відомих живих організмів – амінокислот, білковоподібних полімерів, полінуклеотидів і інших.

Згідно з теорією академіка О. І. Опаріна (1894-1980) процес виникнення життя на Землі пройшов кілька етапів (рис. 1).

 

Рис. Виникнення життя на Землі (за акад. О. І. Опаріним)

 

1-й етап. Формування вуглеводних сполук та їхніх похідних: атоми Карбону з'єднувалися між собою та утворювали ланцюги різної довжини. Це початкові ланки в еволюційній низці більш складних органічних сполук, до якої входять жири, прості вуглеводи та амінокислоти. Найпростіший представник вуглеводнів – метан. Первинна літосфера, гідросфера та атмосфера були буквально насичені вуглеводнями. Умови, які існували на Землі в той час: сильні теплові та радіоактивні процеси, ультрафіолетові випромінювання та інші, – сприяли їх ускладненню.

2-й етап. Первинну атмосферу, яка складалась, головним чином, з аміаку, метану, водню, вуглекислого газу та водяної пари (у ній не було кисню), пронизували велетенські блискавки. Під дією цих сильних електричних розрядів із суміші газів стали утворюватись амінокислоти. Дослідами багатьох учених доведено: якщо через суміш аміаку, вуглекислого газу, водяної пари за температури 80 °С та тиску в декілька атмосфер пропускати сильні електричні розряди, утворюються гліцин та інші амінокислоти. Разом із зливними потоками амінокислоти потрапляли на Землю до первородного океану, яким була покрита майже вся молода планета.

3-й етап. Виникнення преклітинних структур із поліпептидів і полінуклеотидів. Важливу роль у цьому процесі відігравали коагуляти (згустки в колоїдних розчинах). Вони здатні поглинати з навколишнього середовища та накопичувати хімічні сполуки. Усередині них може здійснюватися синтез нових сполук. Під час двигтіння Землі вони роздроблюються. Все це могло слугувати «прообразом» процесів обміну речовин, росту, розмножування. Різноманітні сполучення білків та нуклеїнових кислот є причиною різноманітності життєвих форм на Землі.

З цього моменту на Землі зародилося життя, а геологічна та геохімічна історія Землі стає невіддільною від біологічних процесів. Ця теза становить сутність учення про біосферу.

Більшу частину геологічного часу, з моменту появи перших водоймищ на планеті, розвиток життя проходив у воді, і тільки близько 600 млн. років тому перші організми виходять на земну поверхню. Перші форми життя були представлені простими прокаріотами з одноклітинною структурою та гетеротрофним способом живлення. Першими автотрофними організмами (фотосинтезуючими) були ціанобактерії та синьо-зелені водорості.

Поява еукорітинних одноклітинних організмів 2-1, 5 млрд. років тому мала велике значення в еволюції органічного світу на Землі.

У ранньому палеозої – силурійському періоді – живі організми виходять на поверхню континентів. Американський геолог Д. Шухерт цей період еволюції планети назвав фанерозоєм («фанерос» – наочний, «зое» – життя). Він охоплює геологічний проміжок часу в 570 млн. років.

На межі палеозою та мезозою (близько 200-185 млн. років тому) помітно змінюється газовий склад атмосфери за рахунок бурхливого розвитку деревних спорових рослин – плауно-подібних, клинолистих та інших, що привело до інтенсивного процесу фотосинтезу, зменшення ролі вуглекислого газу та проникнення до земної поверхні значно більшої кількості ультрафіолетових променів.

На межі тріасового і юрського періодів (близько 150 млн. років тому) відбувається зміна вищих спорових голонасінних рослин покритонасінними (квітковими), що сприяло бурхливому розвитку комах, обпилювачів і переносників насіння.

У крейдяному періоді (близько 70 млн. років тому) відбувається диференціація кліматів на Землі і настає холодний період, унаслідок чого птахи і ссавці замінюють гігантських рептилій.

Вік сучасних систематичних груп організмів різноманітний. Членистоногі існують на Землі з верхнього протерозою, риби – з силуру, комахи – з девонського періоду, голонасінні рослини – з пермського віку, покритонасінні – з крейдяного періоду.

Нині домінують покритонасінні рослини, ссавці і птахи з наземних хребетних, черевоногі молюски – з наземних і водних безхребетних. Сучасна різноманітність живих організмів пов'язана як із тривалістю їх зародження, так і з мозаїчністю екологічних умов існування.

Поки немає доказів тому, що життя розвивалося по іншому шляху. Але є багато прогалин у знаннях тонкощів цього процесу. Одним із складних моментів є перехід від неживих біо-молекул до найпростіших живих організмів. З точки зору хіміка, навіть одноклітинна водорість побудована настільки складно, що важко уявити, як вона могла утворитися.

У 1953 р. американський хімік С. Міллер провів експеримент, котрий, як уважалось тоді, вирішував питання про те, яким чином виникло життя на Землі. У герметичному скляному приладі вчений відтворив умови, які були характерні для первісної планети. Через газову суміш, яка вміщувала метан, аміак і водень, Міллер пропускав електричні розряди, а воду на дні приладу нагрівав, імітуючи стародавній океан. Через кілька днів дослідник виявив у колбі наявність амінокислот. Експерименти Міллера довели можливість абіогенного (небіологічного) синтезу важливих для життя молекул. Цей факт став також підтвердженням гіпотези російського вченого О. І. Опаріна про «білковий початок» розвитку життя на планеті.

Але дослідження деяких учених поставили під сумнів вихідну ідею, від якої відштовхувався у своїх експериментах С. Міллер: який був склад первісної атмосфери Землі? У результаті складних дослідів та комп'ютерного моделювання стародавньої земної атмосфери (Дж. Уокер (США) та ін.) було показано, що ультрафіолетове сонячне випромінювання, яке тоді ще не стримувалось озоновим екраном, повинно було руйнувати гідрогеновмісні молекули газів. Нині передбачається, що основними компонентами первинної атмосфери були вуглекислий газ і азот. При цьому частка вуглекислого газу в атмосфері була настільки велика, що працював «парниковий ефект», під впливом якого вода в океанах майже кипіла.

У подібних умовах синтез амінокислот був надто проблематичним.

Передбачається, що перші живі організми Землі могли бути гетеротрофами, тому що їм доступні були готові органічні молекули, які утворюються шляхом хімічного синтезу в первинному середовищі їхнього існування. З появою хемо- і фотосинтезу в атмосфері Землі з'явився і став накопичуватися кисень, після чого почав формуватись «озоновий екран».

Яка молекула була першою – білок чи нуклеїнова кислота?

Суперечка біохіміків, еволюціоністів та інших учених навколо цієї проблеми нагадує знайому дискусію: «Що було раніше – курка чи яйце?» Як відомо, білок не може бути синтезований у живій клітині з амінокислот без контролю з боку нуклеїнових кислот, які несуть інформацію про структуру всіх білків даного виду. Разом з тим, нуклеїнові кислоти можуть реплікуватися («розмножуватися») лише за наявності білків-ферментів (полімераз, лігаз).

Згідно з теорією О. І. Опаріна та працями американських учених С. Фокса і С. Поннамперумі першими біомолекулами були білки (коагуляти-протиноїди). Однак критики відхиляють цю ідею, наводячи головний аргумент: білки та протеноїди не можуть самостійно ні самовідтворюватися, ні еволюціонувати.

У 1989 р. американські біохіміки Т. Чек і С. Альтман знайшли певний клас РНК, здатних до самокаталізу своєї реплікації (аутосплайсинг). Таким чином, певні види РНК можуть виконувати подвійну функцію – генну (точніше, його копії) та каталізатора подвоєння цього гена, тобто виступати як «яйце» і як «курка» одночасно. Згідно з цими фактами виникли гіпотези, наприклад У. Гілберта (США), що перші земні організми складались із простих молекул РНК, які самовідтворювались. Поступово такі організми набули здатності синтезувати білки (поява яких забезпечила швидкий та ефективний рух реплікації) і ліпіди (жири), що формують разом із білками мембрану, допомогли виникнути клітинним структурам.

Деякі вчені (А. Ребек, Л. Оргел та ін.) дотримуються думки, що первинно існували гібридні молекули, які виявляли властивості і білків, і нуклеїнових кислот. Такі молекули були одержані в біохімічних лабораторіях.

Оригінальну точку зору висловив німецький дослідник Г. Вехтершойзер. На його думку, спочатку життя з'явилось як певна послідовність перетворювань органічних сполук, які адсорбовані на кристалах піриту FeS2 Принципово новим у цій гіпотезі є те, що утворення та перетворення біомолекул здійснюється на межі твердої та рідкої фаз (гетерофазне середовище), а не в рідкофазному «первинному бульйоні».

Отже, початковою ланкою в еволюції був синтез перших елементів у пробіонти (попередники живої матерії), з яких потім був побудований увесь навколишній світ. Використовуючи гравітаційну та ядерну енергію, великі маси найпростішого хімічного елемента Гідрогену перетворювалися на ядра більш складних елементів. Ядерний нуклеосинтез здійснювався в космічних умовах за участю протонів, альфа-частинок (ядер атомів Гелію – 2 Не) і електронів. Прикладами таких реакцій є реакції утворення стабільних ядер Карбону С та Оксигену О:

 

У результаті таких процесів здійснювалося накопичення перших хімічних елементів на планеті (Н, С, О, N, Na, Mg, P, S, СІ, К, Са, Fe). Хімічна структура первинних найпростіших біологічних систем представлена першими 30 елементами сучасної періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва.

Атоми хімічних елементів, які утворилися в умовах космосу, взаємодіяли між собою, утворюючи малі молекули. У результаті складалась основа для формування складних органічних речовин. Цікаво зазначити, що і зараз, через мільйони років набір стабільних малих молекул, які формують основу біосфери, залишився колишнім. Крім того, набір мономерів (амінокислот, моносахаридів, нуклеотидів) був завжди однаковим. З 20 амінокислот були побудовані білки і поліпептиди: 

 

Механізм утворення біополімерів із мономерів універсальний та єдиний для всіх клітин живих організмів. Усі біополімери формуються шляхом послідовних операцій. На кожному етапі приєднання нової ланки до ланцюга здійснюється виділення молекули води (реакція поліконденсації). На утворення кожного нового зв'язку потрібна порція енергії, яка постачається до організму за допомогою хімічного елемента Фосфору.

Завершуючи розгляд питання про виникнення життя на Землі, необхідно підкреслити, що життя розвивалося та розвивається за єдними законами. Глибоке розуміння цих законів можливо лише під час розгляду їх фундаментальних основ – атомно-молекулярних процесів. Основні колообіги важливих хімічних елементів є головною умовою стабільності біосфери взагалі. Вони були сформовані ще в кембрії, близько 600 млн. років тому. Надзвичайне явище стаціонарного стану живих систем – від бактерії до біосфери забезпечується динамічними процесами: диханням, виділенням, обміном речовин та шляхами. Таким чином, стабільність та динамічність водночас виступають головними специфічними рисами життя.

Еволюція життя та середовища, яке оточує це життя, відповідають девізу «Mobiles in mobile» («Рухливий у рухливому»). Екологічні проблеми, які виникали в результаті катаклізмів у житті планети, розв'язувалися природним шляхом і впливали на процес еволюції. Один з екологічних законів американського вченого Б. Коммонера говорить: «Природа знає краще». Тому сьогодні перед людством постає завдання вивчати закони природи, осягати розумом її мудрість та навчитися не суперечити їм.