Концепция естествознания
бмена веществ.
Земная кора дает опору жизни, но ее колыбелью становятся первые водные
бассейны. Действительно, существуют некоторые гипотезы, согласно которым
жизнь возникла не в водном бассейне, а на земной поверхности в пыли,
образованной микрометеоритным «дождем».
Жизнь, такая, как мы ее знаем, не могла возникнуть без свободной воды.
Для живой материи необходима именно свободная, а не связанная в гидраты
вода или лед, которые обнаруживаются в метеоритах или на жругих планетах.
Наличие воды в телах организмов указывает на ее огромное значение для
жизненных процессов. Низшие организмы содержат 95-99% воды, а высшие — 75-
80%. При уменьшении ее количества до определенного уровня наступает смерть.
Трудно описать состояние гидросферы в первые 100-200 миллионов лет
существования Земли. По мнению многих, на молодой Земле было около одной
десятой массы воды, содержащейся в современном океане. Остальные девять
десятых образовались позже за счет дегазации внутренних частей Земли.
Именно в результате выделения газа и пара из мантии сформировались
гидросфера и атмосфера. В веществе мантии содержится 0,5% воды, но даже 10%
этого количества достаточно для образования всего сегодняшнего объема
океана. Вероятно, океанская вода с самого начала была соленой. При
дегазации вещества мантии воды насыщались анионами хлора, брома и других
элементов, а также СО2, H2S, SO2. Это создавало легкий кислотный характер
праокеану, который нейтрализовался за счет щелочных компонентов, вызываемых
дождями из базальтовой коры и выносившихся реками в океан. Это катионы
натрия, магния, кальция, калия и других элементов.
Ранняя эволюция гидросферы (океаны, моря, континентальные бассейны)
протекала при отсутствии газообразного кислорода. В этих условиях и при
наличии бескислородной атмосферы могли возникнуть только анаэробные
организмы.
Океанологи установили, что органическое вещество встречается во
взвешенном состоянии в виде отдельных частиц гораздо чаще, чем считалось
раньше. Полагают, что основную роль в формировании таких скоплений
органических веществ играет образование пены в океане. Органические
вещества образуют тонкую мономолекулярную пленку на поверхности океана,
которая разрушается волнами. Взбитые этими волнами они приобретают
сферическую форму и падают снова в воду, при этом они могут погрузиться на
некоторую глубину и сохраняться там в виде мелких коацерватных капель.
Коацерватную гипотезу развил в 1924 году Опарин. Коацервация — это
самопроизвольное разделение водного раствора полимеров на фазы с различной
их концентрацией. Коацерватные капли имеют высокую концентрацию полимеров.
Часть этих капель поглощали из среды низкомолекулярные соединения:
аминокислоты, глюкозу, примитивные катализаторы. Взаимодействие
молекулярного субстрата и катализаторов уже означало возникновение
простейшего метаболизма внутри протобионтов («протобионты» по терминологии
Опарина — первые белковые структуры). Обладавшие метаболизмом капли
включали в себя из окружающей среды новые соединения и увеличивались в
объеме. Когда коацерваты достигали размера, максимально допустимого в
данных физических условиях, они распадались на более мелкие капельки,
например, под действием волн. Мелкие капельки вновь продолжали расти и
затем образовывать новые поколения коацерватов.
Постепенное усложнение протобионтов осуществлялось отбором таких
коацерватных капель, которые обладали преимуществом в лучшем использовании
вещества и энергии среды. Отбор как основная причина совершенствования
коацерватов до первичных живых существ — центральное положение в гипотезе
Опарина.
Процесс концентрации органических веществ может происходить при
отливах, испарении воды в лагунах, а также при волнении (как отмечено
выше). Научные данные все больше подтверждают, что жизнь возникла не в
открытом океане, а в шельфовой зоне моря или в лагунах, где были наиболее
благоприятные условия для концентрации органических молекул и образования
сложных макромолекулярных систем.
Биохимическая эволюция начинается с момента образования земной коры, то
есть около 4,5 млрд. лет назад. Ее корни уходят в ранний космический этап
химической эволюции. Находки древнейших молекулярных ископаемых возрастом
3,5-3,8 млрд. лет показывают, что биохимическая эволюция, которая привела к
образованию первой клетки, продолжалась около миллиарда лет. Образование
клетки и было самым трудным на этом долгом пути.
Как уже отмечалось, исходный материал для биохимической эволюции был
заготовлен раньше, на космическом этапе развития и в начале формирования
первичных литосферы, гидросферы и атмосферы. Для этого имелось достаточно
источников энергии: солнечное излучение, тепловая энергия земных недр,
высокоэнергетическая радиация, электрические разряды (молнии и гром, при
котором возникают сильные ударные волны). Вероятно, тогда же и возникли
основы естественного отбора важных биохимических молекул.
Имевшееся количество химических элементов и наличие мощных источников
энергии приводят к образованию огромного количества молекул. Путем
конденсации (концентрации) этих простых молекул (метан, аммиак, вод а др.)
образуются основные биохимические молекулы: некоторые аминокислоты,
являющиеся основой белков; некоторые органические основания, такие, как
аденин, которые являются компонентами нуклеиновых кислот; некоторые сахара,
например рибоза, и их фосфаты; простые азотосодержащие молекулы, например
порфирины, которые являются важным компонентом ферментов (энзимов) и т.п.
На следующем этапе происходит укрупнение молекул и формирование сложных
макромолекул, важнейших компонентов так называемого «первичного бульона», в
котором происходит полимеризация и связывание низкомолекулярных соединений
в высокомолекулярные. Такие сложные макромолекулярные соединения,
называемые пробионтами, имеют открытую пространственную структуру, что
обеспечивает их рост, а также разделение на дочерние образования под
действием механических сил. На этом этапе, когда возникают биологические
полимеры, по-видимому, появился и механизм идентичного воспроизведения
(репликация), который является основной чертой жизни.
Установлено, что способность к самовоспроизведению живых организмов
основана на репликации нуклеиновых кислот, при которой происходит не только
образование новых молекул, но и их разделение. Добиологический часто
химический этап переходит в этап самоорганизации, на котором возникают
самовоспроизводящие сложные молекулярные комплексы. Эти макромолекулярные
комплексы дают начало жизни. Граница между двумя этапами — этапом чисто
химической эволюции и этапом самоорганизации биологических макромолекул —
весьма условна и не фиксирована во времени.
Как полагает Опарин, с появлением самовоспроизведения органических
молекул началась биологическая эволюция. При этом произошло объединение
двух важных свойств: способности к самовоспроизводству полинуклеотидов и
каталитической активности полипептидов. Наилучшие перспективы сохраниться в
предбиологическом отборе имели эти ультрамолекулярные системы, в которых
обмен веществ сочетался со способностью к самовоспроизведению.
На этом этапе эволюционные процессы привели к образованию нового типа
взаимосвязи, необходимого для дальнейшего развития и воспроизводства. Чтобы
уяснить значение этого типа связи в природе, необходимо ввести два основных
понятия — информация и инструкция : инструкция «от кого» и информация «для
кого». Необходимо сказать несколько слов о информации.
Современная теория информации рассматривает проблему переработки
информации, а не ее «производства». Информация должна передаваться в строго
определенной форме. Она может быть записана соответствующим кодом и при
передаче по каналам сопровождается шумом, который необходимо
отфильтровывать в приемном устройстве. Современная теория информации,
основываясь на данных палеонтологии, геологии, физики, считает, что
нарастание структурной сложности и информационной насыщенности есть
важнейшая черта эволюционного прогресса.
«От кого» и «для кого»? Эти два вопроса касаются взаимодействия
нуклеиновых кислот и белков как важнейших компонентов жизни. В своей книге
о химической эволюции М. Кальвин отмечает, что существующий в настоящее
время набор компонентов белка был предопределен в самом начале эволюции
исходным набором аминокислот. Этот набор аминокислот в белке обусловлен
определенной последовательностью в строении нуклеиновых кислот. Нуклеиновые
кислоты и белки выполняют три исключительно важные функции:
самовоспроизведение, сохранение наследственной информации и передачу этой
информации в процессе возникновения новых клеток. Следовательно,
нуклеиновые кислоты и белки тесно взаимодействуют при воспроизводстве. А
что возникло раньше: нуклеиновая кислота или белок? Новый вариант старого
вопроса о курице и яйце.
Этот вопрос созникает как барьер перед стремлением объяснить
возникновение жизни. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) вместе с
рибонуклеиновой кислотой (РНК) ответственна за синтез белка. Вспомним одно
из центральных положений молекулярной биологии: ДНК ( РНК ( белок. Из этого
положения, описывающего химический процесс белкового синтеза, некот
| |  скачать работу |
Концепция естествознания |
