Теории зарождения жизни на Земле
темы, а
также некоторые химические и физические системы, в которых существуют
незатухающие динамические явления. Фактически в рамках теории диссипативных
структур сформулирован целый ряд универсальных законов появления, развития
и отмирания природных систем, которые справедливы в частности и для
широкого класса биологических систем.
Кратким итогом сказанного выше являются три основных требования к
среде, в которой зародилась жизнь:
1. Среда должна быть высокотемпературной;
2. В ней должны были происходить сильные колебания термодинамических и
физико-химических параметров.
3. Среда должна быть жидкой.
Рассмотрим на основе этих критериев возможные среды, в которых могла
возникнуть жизнь.
На планете Земля известны две жидкие глобальные геологические системы
- гидросфера, объединяющая приповерхностные воды, главная масса которых
сконцентрирована в океане и гидротермальные системы, представляющие обычно
высокотемпературные глубинные потоки растворов, составленные из ювенильных
и вадозных вод. Общее сопоставление химического состава планетарного океана
и усредненного состава гидротермальных источников показывает наличие
большого сходства. Эта особенность является естественной, поскольку океан
формировался за счет мощных гидротермальных излияний в ходе геологического
развития Земли.
Переходя ко второму критерию среды возникновения жизни - ее
высокотемпературности - следует сделать выбор из этих двух сред в пользу
гидротермальных систем. Хотя следует отметить, что критерий
высокотемпературности не позволяет сделать окончательный выбор между
океаном и гидротермальными системами, так как в случае исходно горячей
Земли первичный океан тоже должен быть достаточно горячим.
Третье требование к среде - сильная неравновесность - является
ключевым. Требования сильной неравновесности среды, необходимой для
спонтанного возникновения явлений самоорганизации, означает наличие в среде
сильных флуктуаций. Амплитуда флуктуаций должна быть велика для преодоления
критического рубежа, за которым начинаются процессы самоорганизации. При
небольших колебаниях параметров относительно средних равновесных значений
никакой самоорганизации не происходит, последняя возникает только вдали от
состояния равновесия. Оценивая с этих позиций степень возможных флуктуаций
в океане можно сказать, пользуясь терминологией неравновесной
термодинамики, что океан находится в состоянии аттракции, или относительно
(подвижного) равновесия, которое характеризуется небольшими колебаниями
параметров вокруг равновесных значений.
Принципиально иными в рассматриваемом аспекте являются гидротермальные
системы. Кардинальное отличие гидротермальных систем от океана заключается
в том, что они обладают собственной мощной энергетикой. Вследствие избытка
свободной энергии в системе периодически происходит накопление напряжений,
выражающееся в возрастании интенсивных параметров (температуры и давления).
Так же периодически накопленные разряжаются, приводя к увеличению
экстенсивных параметров – объема преобразованного растворами минерального
вещества. Такая внутренняя активность гидротермальных систем и вызывает
постоянные и различные по амплитуде флуктуации, поддерживающие состояние
неравновесности.
Таким образом, наиболее вероятной средой для возникновения жизни
являются глубокие области гидротермальных систем (от глубин в несколько
километров до поверхности). Эта область характеризуется:
1. наличием высокотемпературной жидкой, существенно водной среды;
2. существованием в ней мощных динамических возмущений, и
флуктуаций термодинамических и физико-химических параметров;
3. присутствием разнообразного растворенного и дисперсного
органического вещества.
Эту зону можно рассматривает как своеобразный природный инкубатор, в
котором зародились первичные эмбриональные формы протожизни.
Однако по другому мнению наиболее благоприятной средой для
возникновения жизни были небольшие лужицы у берегов огромного океана, с
большим содержанием минеральных солей, за счет испарения большого
количества воды, ранее находившегося в этой лужице, и с достаточно большой
температурой за счет энергии солнца.
Химические элементы объединяются друг с другом при относительно низких
температурах на поверхности твердой коры планеты и, при перечисленных выше
условиях, образуют широкий спектр малых молекул. Под действием потоков
энергии (молнии, УФ-излучение, вулканическое тепло) наиболее стабильные
молекулы (СО2, N2, Н2О) превращаются в более сложные соединения (сахара, и
аминокислоты) которые становятся «строительными блоками» жизни. В
последствии эти пока еще простые молекулы объединяются между собой в
аминокислоты, сахара и азотистые основания – исходные вещества для ДНК и
РНК.
Для создания любого полимера организм должен затратить энергию.
Связано это с тем что биологические полимеры находятся в водной среде, где
весьма вероятен их гидролиз. Живые организмы получают необходимую им
энергию за счет каталитически активных ферментов.
Это и есть суть проблемы Уробороса[1]: создание полимеров требует
наличия полимеров. Иными словами: для того чтобы получить энергию,
необходимую для синтеза полимеров, необходимо затратить энергию.
Рассматривая энергетически метаболизм и процессы полимеризации
активированных мономеров, мы сталкиваемся с одним интересным моментом:
продукты этих процессов, полимеры, являются очень важными компонентами
молекулярного аппарата, при помощи которого сами эти полимеры образуются.
В этом смысле полимеры представляют собой самозарождающиеся объекты.
Их синтез служит иллюстрацией головоломки Уробороса на молекулярном уровне,
и разгадка этой головоломки аналогична решению проблемы самозарождения
механизма синтеза полимеров.
На примитивной Земле протекали различные химические процессы, но
особую роль играли те из них, в основе которых лежит фосфор. В конечном
счете именно с помощью энергии фосфатной связи появилась возможность
направлять энергию геофизических окислительно-восстановительных реакций на
инициацию процессов в органическом веществе, существовавшем на ранней
Земле. Благодаря превращению энергии окислительно-восстановительных реакций
в энергию фосфатных связей произошла энергетическая инициация полимеризации
мономеров.
Подойти к решению проблемы перехода от неживой материи к живой
позволяет изучение механизмов, используемых современными организмами для
генерации энергии фосфатных связей и синтеза полимеров. Это помогает также
выявить те компоненты и механизмы, которыми должен был обладать примитивный
организм, чтобы считаться «живым».
Живая клетка использует белки в различных целях. Большинство видов
белков является ферментами, катализирующими множество реакций, включая те
из них, которые обеспечивают энергетический метаболизм, синтез мономеров и
полинуклеотидов.
Полинуклеотиды используются клетками, прежде всего в процессе синтеза
белков. Комплиментарность нуклеотидов четко контролирует аминокислотную
последовательность синтезируемых белков и гарантирует правильность
нуклеотидной последовательности в полинуклеотидах, образующихся в процессе
репликации при размножении организма.
Пытаясь построить модель примитивного организма, мы все время должны
помнить, что все события происходили в геологическом масштабе времени.
Относительно простой, примитивный организм не мог возникнуть мгновенно даже
после того, как на первобытной Земле были созданы условия, благоприятные
для зарождения жизни.
Протеиноиды – термические белки. Образуются при самопроизвольном
синтезе аминокислотных цепей. Длина и состав протеиноидов зависит от
состава исходной аминокислоты, температуры и других условий.
Биохимики обнаружили, что при растворении протеиноидов в воде они
спонтанно образуют сферы диаметром примерно 1 мкм. Такие объекты получили
название микросфер.
Поскольку существовали микросферы, способные к синтезу РНК и,
следовательно, небольших белков, то определенные последовательности РНК
могли случайным образом кодировать короткие белки, способные катализировать
копирование РНК (т. е. белки, обеспечивающие полимеризацию нуклеотидов на
существующей молекуле РНК). Вторая копия этой РНК была бы идентична
исходной РНК. Таким образом, эта модельная РНК могла функционировать как
способный к воспроизведению ген, т. е. могла возникать
самовоспроизводящаяся система – Уроборос.
Очень важной особенностью предложенной примитивной модели является ее
эволюционные возможности: неточная репликация трансляция гена создает
основу той самой мутабильности, которая может привести к отбору систем,
обладающих наиболее совершенными механизмами энергетического сопряжения и
использования энергии.
Эта теория является наиболее вероятной еще и потому, что ее
правдивость, в некотором смысле, была подтверждена опытным путем. Опыт с
получением простейшего организма провёл в 1953г. американский биолог Стэнли
Миллер. Он воспроизвел в специальной установке природные условия древней
Земли. В стеклянном сосуде находились нагретая вода («океан») и смесь газов
аммиака, метана и водорода («первичная – атмосфера»). Через «атмосферу «
проскакивали искры-«молнии»
| |  скачать работу |
Теории зарождения жизни на Земле |
