Концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам

В настоящее время наиболее, широкое признание получила гипотеза о происхождении жизни на Земле, сформулированная советским ученым акад. А. И. Опариным и английским ученым Дж. Холдейном. Эта гипотеза исходит из предположения о постепенном возникновении жизни на Земле из неоргани­ческих веществ путем длительной абиогенной (небиологической) молекулярной эволюции. Теория А. И. Опарина представляет собой обобщение убедительных доказательств возникновения жизни на Земле в результате закономерного процесса перехода химической формы движения материи в биологическую.

Образование простых органических соединений. На начальных этапах своей истории Земля представляла собой раскаленную планету. Вследствие вращения при постепенном сниже­нии температуры атомы тяжелых элементов перемещались к центру, а в поверхностных слоях концентрировались атомы легких элемен­тов (водорода, углерода, кислорода, азота), из которых и состоят тела живых организмов. При дальнейшем охлаждении Земли появились химические соединения: вода, метан, углекислый газ, аммиак, циа­нистый водород, а также молекулярный водород, кислород, азот. Физические и химические свойства воды (высокий дипольный мо­мент, вязкость, теплоемкость и т. д.) и углерода (трудность образова­ния окислов, способность к восстановлению и образованию линей­ных соединений) определили то, что именно они оказались у колы­бели жизни.

На этих начальных этапах сложилась первичная атмосфера Земли, которая носила не окислительный, как сейчас, а восстанови­тельный характер. Кроме того, она была богата инертными газами (гелием, неоном, аргоном). Эта первичная атмосфера уже утрачена. На ее месте образовалась вторая атмосфера Земли, состоящая на 20% из кислорода — одного из наиболее химически активных газов. Эта вторая атмосфера — продукт развития жизни на Земле, одно из его глобальных следствий.

Дальнейшее снижение температуры обусловило переход ряда га­зообразных соединений в жидкое и твердое состояние, а также обра­зование земной коры. Когда температура поверхности Земли опусти­лась ниже 100°С произошло сгущение водяных паров. Длительные ливни с частыми грозами привели к образованию больших водоемов. В результате активной вулканической деятельности из внутренних слоев Земли на поверхность выносилось много раскаленной массы, в том числе карбидов — соединений металлов с углеродом. При взаи­модействии карбидов с водой выделялись углеводородные соедине­ния. Горячая дождевая вода как хороший растворитель имела в своем составе растворенные углеводороды, а также газы (аммиак, углекис­лый газ, цианистый водород), соли и другие соединения, которые могли вступать в химические реакции. С особым успехом, видимо, протекали процессы роста молекул при наличии группы - N= C= N-. У этой группы большие химические возможности к росту за счет как присоединения к атому углерода атома кислорода, так и реагирова­ния с азотистым основанием. Так постепенно на поверхности моло­дой планеты Земля накапливались простейшие органические соеди­нения. Причем накапливались в больших количествах. Подсчеты по­казывают, что только посредством вулканической деятельности на поверхности Земли могло образоваться около 1016 кг органических молекул. Это всего на 2—3 порядка меньше массы современной био­сферы.

Спектроскопическое изучение звездных атмосфер показало присутствие в так называемых холодных звездах, к которым относится и Солнце, зна­чительной части углерода, связанного с водородом, и образование простей­шего углеводорода — метина (СН). Не исключено, что наряду с метином в этих звездах присутствуют и более сложные углеводородные соединения. Между тем не вызывает сомнений, что эти соединения образуются абиоген­но, т. е. не за счет деятельности живых организмов.

Широкое распространение углеводородов обнаружено и в тех местах Вселенной, где температура близка к абсолютному нулю. Несомненно присутствие метана (СН4) в атмосфере Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и других планет, причем в больших количества». Наличие довольно слож­ных углеводородов отмечено в ряде метеоритов, в которых не удалось уста­новить никаких следов пребывания живых существ. Наконец, синтез угле­водородов может быть осуществлен в эксперименте при наличии комплекса определенных физических и химических условий (температура, давление, электрическое поле и др.).

Таким образом, абиогенное образование органических соединений — углеводородов не только возможно, но и широко распространено во Все­ленной. Вполне логично предположить, что Земля уже на начальных эта­пах своего существования обладала определенным количеством углеводоро­дов.

Возникновение сложных органических соединений. Второй этап биогенеза характеризовался возникновением более сложных органических соединений, в частности белковых веществ в водах первичного океана. Благодаря высокой температуре, грозовым раз­рядам, усиленному ультрафиолетовому излучению относительно простые молекулы органических соединений при взаимодействии с другими веществами усложнялись и образовывались углеводы, жиры, аминокислоты, белки и нуклеиновые кислоты.

Возможность такого синтеза была доказана опытами А.М. Бутле­рова, который еще в середине прошлого столетия получил из фор­мальдегида углеводы (сахар). В 1953—1957 гг. химиками различных стран (США, СССР, Германии) в целом ряде экспериментов из смеси газов (аммиака, метана, водяного пара, водорода) при 70—80°С и давлении несколько атмосфер под воздействием электрических раз­рядов напряжением 60 000 В и ультрафиолетовых лучей были синтезированы органические кислоты, в том числе аминокислоты (гли­цин, аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты), которые явля­ются материалом для образования белковой молекулы. Таким обра­зом, были смоделированы условия первичной атмосферы Земли, при которых могли образовываться аминокислоты, а при их полимериза­ции — и первичные белки.

Эксперименты в этом направлении оказались перспективными. В дальнейшем (при использовании других соотношений исходных газов и видов энергии) путем реакции полимеризации из простых молекул получали более сложные молекулы: белки, липиды, нуклеи­новые кислоты и их производные, а позже была доказана возмож­ность синтеза в условиях лаборатории и других сложных биохими­ческих соединений, в том числе белковых молекул (инсулина), азо­тистых оснований нуклеотидов. Особенно важно то, что лаборатор­ные эксперименты совершенно определенно показали возможность образования белковых молекул в условиях отсутствия жизни.

С определенного этапа в процессе химической эволюции на Земле активное участие стал принимать кислород. Он мог накапли­ваться в атмосфере Земли в результате разложения воды и водяного пара под действием ультрафиолетовых лучей Солнца. (Для превраще­ния восстановленной атмосферы первичной Земли в окисленную потребовалось не менее 1—1,2 млрд. лет.) С накоплением в атмосфере кислорода восстановленные соединения начали окисляться. Так, при окислении метана образовались метиловый спирт, формальде­гид, муравьиная кислота и т.д. Образующиеся соединения не разрушались вследствие их летучести. Покидая верхние слои земной коры, они попадали во влажную холодную атмосферу, что предохраняло их от разрушения. В дальнейшем эти вещества вместе с дождем выпадали в моря, океаны и другие водные бассейны. На­капливаясь здесь, они вновь вступали в реакции, в результате чего возни­кали более сложные вещества (аминокислоты и соединения типа аденита). Для того чтобы те или иные растворенные вещества вступали между собой во взаимодействие, нужна достаточная концентрация их в растворе. Важно и то, что более сложные органи­ческие соединения являются более стойкими перед разрушающим действием ультрафиолетового излучения, чем простые соединения.