2.3. Гипотезы происхождения жизни и биосферы
Возникновение жизни и биосферы представляет собой важнейшую проблему современного естествознания, которая еще ждет своего решения.
Академик В.И. Вернадский рассматривал три основных варианта происхождения жизни на Земле:
1 - жизнь зародилась после образования Земли;
2 - жизнь возникла вместе с формированием Земли;
3 - жизнь возникла до образования Земли и была занесена на нее.
Гипотеза 1 состоит в том, что в течение большого промежутка времени (после возникновения примерно 4,5 млрд. лет назад) Земля была безжизненной, и на ее поверхности, в атмосфере и океане происходил медленный абиогенный синтез органических соединений, который привел к образованию первых примитивных организмов. То есть на Земле происходила длительная химическая эволюция, предшествующая биологической и охватившая интервал времени не менее 1 млрд. лет. Предполагается, что в первичном океане, химически агрессивном бульоне, могли появиться анаэробные организмы, способные существовать и размножаться в бескислородной среде. В морской пене были сконцентрированы органические вещества и, скорее всего в ней образовались сложные биополимеры. Первичные организмы в примитивной бескислородной высокотемпературной атмосфере, насыщенной электричеством и жестким радиоактивным излучением, накапливали энергию для своего существования и роста путем ферментации (сбраживания). В 1977 г. американский биохимик К. Воуз нашел в горячих источниках (температура 75…80оС) микроорганизмы, которые в процессе своей жизнедеятельности поглощают диоксид углерода и водород, а выделяют метан. Ученые практически единодушно признали их протобионтами, давшими начало биологической эволюции на планете.
Но скорее всего около 3,5 млрд лет назад одновременно с этими организмами в океане появились в верхних слоях пленки воды организмы, которые расщепляли органическое вещество, необходимое им для получения энергии на рост и развитие, с выделением свободного кислорода. Именно этому возрасту соответствуют окаменелости, в которых встречаются молекулы щелочного изопренового ряда (фитан и пристан), которые по-видимому, представляют фрагменты молекул хлорофилла.
Сейчас уже можно считать доказанным, что в период от 3,8 до 3,5 млрд лет назад уже существовали первые автотрофные фотосинтезирующие организмы, которые вместе с древними гетеротрофными протобионтами обитали в атмосфере, практически лишенной кислорода.
Уже в раннем архее (~ 3,8 млрд. лет назад) было параллельное развитие сине-зеленых водорослей и бактерий. Эти организмы могли произойти не от одного предка, а от каких-то разных самостоятельных биообъектов. Они не имели обособленного ядра (прокариоты), обладали развитой системой обмена веществ, способностью к размножению и примитивным фотосинтетическим аппаратом. К концу протерозоя, ~ 1 млрд. лет назад, сине-зеленые водоросли достигли своего расцвета. В это же время появляются эукариоты (одноклеточные с ядром) способные дышать кислородом, а их способность к половому размножению давала таким организмам большое преимущество в размножении и выживании. Генетическая активность организмов резко усилила эволюционный процесс, а главное появилась возможность бесконечного усложнения жизненных форм, дышащих кислородом, растворенным в воде. От одноклеточных, затем многоклеточных мягкотелых – медуз, червей и им подобным, и наконец, скелетных – раковинных моллюсков и рыб. Дальнейшее повышение парциального давления кислорода в земной атмосфере и растворенного в воде кислорода в гидросфере привело к тому, что в начале фанерозоя были заложены генетические основы для возникновения и дальнейшего совершенствования практически всех типов скелетных и бесскелетных животных, а также к завоеванию и развитию жизненных форм на суше и совершенствованию форм растительности и эволюции микроорганизмов.
Гипотеза 2 состоит в том, что Земля и жизнь на ней – практически ровесники, и поэтому предпочтительнее говорить о появлении жизни на Земле, а не об ее происхождении. Такой точки зрения придерживался академик В.И. Вернадский «Для нашей планеты эмпирически установлено существование жизни в самых древних доступных отложениях, нам на нашей планете известных. С другой стороны, нигде мы не нашли в биосфере горных пород, которые указывали бы на их образование в течение геологического времени в отсутствие живого вещества. Даже массивные породы, как вулканические, так и плутонические, носят в себе несомненные следы существования живого вещества в условиях их образования. Эмпирически, таким образом, мы не нашли указаний на время, когда живого вещества на нашей планете не было. Жизнь на ней геологически вечна».
В свете новых данных неизбежно следует вывод о раннем зарождении жизни в пределах Солнечной системы в период, предшествующий ее образованию. В настоящее время получены космохимические данные, указывающие на наличие в метеоритах (возраст 4,5 млрд. лет, что совпадает с возрастом Земли) сложных органических соединений – углеводородов, спиртов, органических полимеров, аминокислот, которые обычно выступают как составные части белковых тел. Все органические соединения метеоритов не обнаружили оптической активности (вращение плоскости поляризации света, так называемой хиральности), свойственной органическим веществам биологического происхождения, что свидетельствует об их абиогенном происхождении.
Метеориты представляют собой осколки более крупных тел – астероидов и многие из них имеют тот же состав, что и метеориты с органическими молекулами. Отсюда следует, что синтез сложных органических соединений как предшественников живого вещества был закономерным этапом в химической эволюции Солнечной системы в самом начале формирования планет. Возникшие в космических условиях органические вещества вошли в состав многих тел, и попали на рождающуюся Землю на последних стадиях аккумуляции, но лишь на Земле реализовались возможности дальнейшей эволюции, которые обеспечили быстрое возникновение саморегулирующихся высокомолекулярных систем – непосредственных предков первых живых организмов. В метеоритах и астероидах химическая эволюция оказалась замороженной.
В этой гипотезе также предполагается, что первые формы жизни на нашей планете представляли собой биохимические простые одноклеточные или неклеточные структуры в водоемах, гетеротрофные по способу питания. Важным переломным этапом в эволюции древней биосферы был переход от стадии гетеротрофного режима к новому – автотрофному, основанному на дыхании в окислительных условиях. А дальше сценарий развития жизни как в гипотезе 1.
Гипотеза 3. Органические соединения были обнаружены в космическом пространстве, в частности цианистый водород (HCN), формальдегид, муравьиная кислота, этиловый спирт. Ряд специалистов утверждают, что на ранних стадиях существования Земля проходила в космосе через пылевые облака и захватила вместе с космической пылью большое количество органических молекул, образовавшихся в космическом пространстве. Количество этих молекул, может быть соизмеримо с биомассой современной Земли.
По мере дегазации Земли и развития гидросферы, возникшие в реголите (мелкопористом веществе, образованном из постоянно оседающей тонкодисперсной пыли) примитивные формы жизни в виде простых ассоциаций сложных органических молекул или образований, содержащих рибонуклеиновые кислоты (РНК), смогли быть перемещены в воду сформировавшегося Мирового океана. Именно в воде осуществлялась революция разделения вещества на элементарные составляющие жизни – накопление левоориентированных стереоизомеров аминокислот и правоориентированных сахаров. Дальнейшее совершенствование жизни должно было происходить по биологическим законам развития живой материи. Миллер С. в 1953 г. экспериментально подтвердил возможность получения из неорганических компонент простейших органических соединений. В своей знаменитой «колбе Миллера» он, пропустив электрический разряд через смесь H2, Н2О, СН4 и NH3, получил набор из нескольких аминокислот и органических кислот. Очевидно, что компоненты первичной атмосферы Земли подвергались воздействию различных источников энергии: жесткому, близкому к рентгеновскому и ультрафиолетовому излучению от Солнца, высокой температуре при вулканических извержениях и мощным грозовым разрядам. В результате создавались условия для протекания все более сложных реакций. Возникали молекулы сахаров, аминокислот, азотистых оснований, органических кислот и т.п.