Существуют и проблемные вопросы, связанные с первыми этапами возникновения жизни.
Сегодня есть указания, что ранняя атмосфера Земли за счет фотохимических процессов стала окислительной, т.е. в ней появился свободный кислород. Такой состав атмосферы не очень благоприятен для синтеза аминокислот (по концепции Миллера), однако в окрестностях вулканов облака дыма и пара могли служить защитой для молекул метана и аммиака. Поэтому ученые обратили внимание на океанские глубины. В настоящее время обнаружены в океане на больших глубинах (>2.5 км) гидротермальные источники с экологическими сообществами из бактерий, червей и моллюсков. Глубже 200-300 м от поверхности океана уже слишком темно, чтобы проходил фотосинтез (т.е. превращение окиси углерода в углеводороды). Источник энергии - соединения серы (главным образом, сероводород), выбрасываемые гидротермальными водами. Действительно, существуют бактерии, которые получают энергию за счет окисления сероводорода, а эта энергия тратится на превращение СО2 в органические соединения. Ряд ученых считает, что живые существа возникали и на земной поверхности и вблизи поверхности, а затем занимали и водные глубины. Разрушительные удары из космоса (падение огромных метеоритов) или ледниковые периоды могли уничтожить все живое на Земле, за исключением организмов, населяющих относительно глубоководные ареалы.
Д.Бернал (1901-1971) высказал предположение, что образование первых органических веществ могло происходить не в гидросфере Земли, а в результате конденсации газов на поверхности твердых частиц (железа и силикатной пыли) Г.Вехтершейзер указывал, что жизнь возникла как метаболический процесс - циклическая химическая реакция, осуществляющаяся за счет притока энергии извне на поверхности твердой фазы. В качестве базового материала выступает минерал пирит (FeS2). Поверхность кристалла пирита несет положительный электрический заряд и с ней могут связываться молекулы органических веществ; при образовании пирита из железа и серы выделяются электроны и энергия, что побуждает органические соединения реагировать друг с другом, образуя все более сложные соединения. По мнению других ученых, твердым субстратом служили не кристаллы пирита, а кристаллические глины.
Подводя итоги вышесказанному, можно отметить, что химическая эволюция должна была пройти два этапа: 1 этап - синтез исходных органических соединений; 2 этап - формирование биополимеров, липидов, углеводородов.
Тема 10 Способность к эволюции - способность к обмену веществ и самовоспроизведению.
К настоящему моменту мы уже представляем, что начальный процесс возникновения жизни (а точнее, живой клетки!) необходимо разбить на два этапа "химической эволюции": 1 этап - синтез исходных органических соединений; 2 этап - формирование биополимеров, липидов, углеводородов. Дальнейшее развитие должно идти по пути самосборки предшественников клетки: например, из липидов организуются оболочки (мембранного типа) и перегородки клеток. Существует пока еще не решенная проблема: каким образом происходила самоорганизация неравновесной химической системы. Образовавшиеся путем самосборки агрегаты имеют общие черты с клетками, их все же нельзя считать "живыми", - нет генетической информации Вторая проблема - как из хаоса получить порядок? Решение даст ответ на вопрос о переходе с этапа химической эволюции к биохимическому этапу. В нашем распоряжении есть только результат - живая клетка. Поэтому перед учеными стоит очень непростая задача - по результату восстановить ход эволюции. Напомним самые общие сведения о клетках. Самые простые - прокариотические клетки - безъядерные клетки.
Микоплазменная клетка имеет размеры 0.1-0.25 мкм.
В цитоплазме находятся молекулы ДНК, рибосомы и различные включения в виде гранул липидов и других веществ.
Однако прокариотические клетки - это уже одноклеточные организмы, например, бактерии и сине-зеленые водоросли. Более сложные - эукариотические (ядерные) клетки
1 - Мембрана - регулирует обмен различными веществами между клеткой и внешней средой. 2 - Цитоплазматический матрикс - водная фаза с белковыми макромолекулами: - ядро, митохондрии, рибосомы и др. 3 - Ядерная мембрана - отделяет ядро от цитоплазмы. 4 - Ядро - содержит одно или два ядрышка, состоящих из РНК. 5 - Ядрышко 6 - Хромосомы - в ядре (палочки, нити, петли). Количество хромосом в клетках постоянно. В хромосоме - молекула ДНК 7 - Рибосомы - состоят из белка и РНК. На рибосомах происходит синтез белка. 8 - Митохондрии - структуры в виде палочек, нитей или гранул. В них питательные вещества окисляются, а высвобождаемая при этом энергия запасается в АТФ (аденозин-трифосфат). 9 - Лизосомы. В растительных клетках - органеллы - хлоропласты, в которых содержится хлорофилл.
Недавно ученым удалось получить трехмерную фотографию клетки.
Здесь показана полная электронная томограмма дрожжевой клетки: плазменная мембрана, микротрубочки и светлые вакуоли (зелёный цвет), ядро, тёмные вакуоли и тёмные везикулы (золотой), митохондрия и крупные темные везикулы (голубой), а также светлые везикулы (розовый) (иллюстрация Johanna Hoog).
Возникает естественный вопрос: как можно построить такую сложную конструкцию- клетку? Могла ли природа случайным образом "слепить" клетку? Естественно, надо начинать с постройки минимальной конструкции. Минимальный размер клетки (из известных на сегодня) составляет ~1000 ангстрем; ученые считают, что теоретически возможный минимальный размер должен превышать 500 ангстрем. Но даже в такой клетке содержится 1.5 млн. атомов. Случайным образом осуществление такой постройки маловероятно (вероятность примерно такая же, как в случае, если ураган пронесется над огромной свалкой мусора, а затем из набранных деталей соберет новенький самолет "Боинг-747"). Но вспомним, что Природа в процессе химической эволюции уже синтезировала сложные химические соединения, т.е. нет необходимости строить здание из кирпичиков, можно собирать постройку из готовых блоков.