Понятие биопоэза
Все существующие гипотезы происхождения жизни объясняют и показывают возможные пути возникновения живого. К сожалению сам переход коацерватной капли или микросферы в состояние живой клетки, в состояние живого пока не доказан опытным путем, хотя ученые очень быстро подошли к решению данной проблемы. Этот этап перехода от неживой структуры к живой клетке по предложению Джона Бернала назвали биопоэзом (от греч. poiesis — творчество).
Биопоэз — процесс перехода от неживого к живому.
Английский химик Н. Пири изобразил процесс биопоэза и развитие жизни на Земле в виде двух конусов, напоминающих песочные часы. Нижний конус — преджизнь с ее большим числом элементов, участвующих в процессах, идущих в бескислородной атмосфере. Верхний конус — развитая жизнь, отличающаяся большим морфологическим разнообразие и основанная на небольшом наборе биохимических реакций. При этом все разнообразие живых форм характеризуется химическим единством.
Схема возникновения и развития жизни на Земле
Дж. Бернал в 1947 году тоже выделил этапы возникновения и развития жизни на нашей планете. Он назвал шесть этапов биопоэза: 1 — образование органического вещества в условиях первичной атмосферы; 2 — возникновение полимерных соединений; 3 — объединение молекул в дискретные группы (процесс коацервации); 4 — формирование оболочек, или мембран, вокруг образовавшихся коацерватов; 5 — появление метаболизма — обмена веществом с внешней средой; 6 — способность к воспроизводству (размножению).
Американский ученый, биолог и эволюционист Верне Грант всю историю Земли делит на четыре стадии в соответствии с преобладающими процессами в ее развитии: 1 ) атомная эволюция, в процессе которой происходили ядерные реакции, приводившие к образованию водорода, а затем к построению из него других атомов; 2) химическая эволюция, в процессе которой атомы объединились с образованием сложных химических веществ, в том числе неживых органических молекул; 3) органическая эволюция, к которой относятся все события, начиная от возникновения жизни и до появления высших животных; 4) культурная эволюция, то есть накопление и передача из поколения в поколение культурного наследия, начавшаяся после того, как человек поднялся в своем развитии выше животного.
Этапы химической эволюции на Земле
Уже отмечалось, что в ходе химической эволюции на молодой Земле образовалась значительная масса низкомолекулярных органических соединений (и их блоков) — мономеров, которые впоследствии вошли в состав основных полимерных соединений — белков и нуклеиновых кислот. Образование мономеров — первый этап химической эволюции и происхождения жизни на Земле. Но процесс химической эволюции на этом не останавливается. Следующим ее этапом оказывается полимеризация, то есть образование полимеров и биополимеров из имеющихся мономеров. На этом этапе происходят процессы самосборки полимеров. Как утверждают ученые, процесс полимеризации инициируется самими мономерами из-за разной химической природы дипольных молекул мономеров. При этом сборка молекул белков и нуклеиновых кислот сопровождается дегидратацией (выделением воды) и конденсацией (скручиванием) их молекул.
Существуют две модели полимеризации биополимеров. Первая модель была предложена в начале 50-х годов XX века американским биохимиком лауреатом Нобелевской премии (1961) Мелвином Кальвином. Он утверждал, что сборка крупных молекул происходила в Мировом океане. Но поскольку дегидратация в водной среде затруднена, то, по его мнению, реакции синтеза и накопления полимеров происходили в присутствии активного поглотителя воды — цианистого водорода и его производного — дицианамида. Причем основным условием протекания таких реакций должна была быть щелочная среда (pH 8-9). Вероятно, такие условия сложились не в толщах вод Мирового океана, а на мелководье.
Другая модель полимеризации биополимеров выдвинута в 1957 году исследователем предорганизмов (микросфер) С. Фоксом. По его мнению, полимеризация протекает не в воде, а на территориях, лишенных воды, вблизи действующих вулканов. Для доказательства своей модели Фокс провел эксперимент: безводную смесь аминокислот подвергали воздействию высокой температуры (до 170 ºC). Оказалось, что аспарагиновая и глутаминовая кислоты плавятся и создают необходимую для реакций жидкую среду. В такой среде Фоксу удалось получить крупные полимеры, содержащие до 18-23 аминокислот.
Экспериментально были доказаны возможные пути и условия полимеризации (поликонденсации) предбиологических полимеров. Однако дальнейшее преобразование этих полимеров и объединение в надмолекулярные системы (коацерваты и микросферы) возможно было только в Мировом океане. Именно в нем — в «первичном бульоне» возникли условия для появления вторичных объемных структур, крупные молекулы биополимеров могли приобретать трехмерную пространственную структуру, благодаря чему и возникли надмолекулярные системы открытого типа — коацерваты и микросферы.
Интересно, что А.И. Опарин, С. Фокс и другие ученые специально обсуждали вопрос об открытости возникающих систем. Исследователи единодушно пришли к выводу, что в ходе химической эволюции возможно образование только открытых систем, существующих и усложняющихся за счет внешних источников энергии.
Этапы появления жизни на Земле
Современная теория естествознания, характеризуя процесс возникновения жизни, условно выделяет четыре этапа: 1) синтез простых (низкомолекулярных) органических соединений из газов первичной атмосферы; 2) возникновение сложных органических соединений в виде полимерных цепей белков и нуклеиновых кислот; 3) образование обособленных агрегатов (комочков) органических веществ в виде коацерватов или протеиноидов, отделенных от внешней среды белковыми мембранами; 4) появление примитивных клеток, обладающих свойствами живого организма и способных к самовоспроизведению. Четвертый этап — последний в создании жизни на Земле. После этого начался процесс эволюционного развития живого мира, или биологическая эволюция.
Первые три этапа отражают период химической эволюции в развитии жизни, а четвертый этап является началом исторического развития живого, то есть началом биологической эволюции.
Таким образом, согласно современным взглядам жизнь на нашей планете первоначально зародилась как результат химической эволюции (абиогенеза), а усложнение жизни и появление большого разнообразия живого на Земле произошло в результате биологической эволюции (биогенеза) — более поздней стадии, идущей вслед за химическим этапом развития жизни. Опарин пишет: «Все более очевидным становится тот факт, что дарвиновская (биологическая) эволюция — это лишь сияющая вершина айсберга, почти девять десятых которого скрыто от нашего взгляда».
Эволюция химических соединений как основы жизни началась с момента физического и химического формирования планеты Земля — около 6-5 млрд лет назад.
Ученые считают, что первые живые формы на Земле появились примерно 3,9-3,5 млрд лет назад.
Около миллиарда лет длился абиогенез — медленно идущий геохимический процесс, давший нашей планете первые живые формы в виде живой клетки. Эволюция пробионтов завершилась появлением примитивных организмов, обладавших белоксинтезирующим и генетическим механизмами и обусловленным ими обменом веществ. С этого момента начались этап биогенеза и развитие биосферы.
С появлением живого на Земле возникает биосфера как следствие взаимодействия живых организмов и окружающей среды.
Начало существования биосферы
Живые формы стали мощным фактором геохимических изменений и изменчивости самого органического мира. Поглощение органических и минеральных веществ из окружающей среды обеспечивало возможность существования первичных организмов. Между средой и организмами возник круговорот веществ, свидетельствующий о появлении глобальной биологической системы — биосферы.
Первые живые организмы были одноклеточными, очень примитивными, подобными ныне существующим прокариотам (бактериям, архебактериям). Они были гетеротрофами, использовавшими для жизнедеятельности абиогенные органические молекулы, растворенные в воде. Однако со временем живые организмы исчерпали земные запасы органических веществ «первичного бульона», служившие им пищей. Одновременно с истощением пищевых запасов в окружающей среде стали появляться другие типы питания — паразитизм, хищничество и сапротрофность. Позже на Земле появились первые фотосинтезирующие организмы, создающие органические вещества и накапливающие энергию. Они сами оказались пищевым объектом. Наступил период появления симбиотических структур и связей, возникли более сложные организмы — эукариотические клетки.
Одновременно с появлением фотосинтеза земная кора и атмосфера приобрели и стали накапливать свободный кислород. Некоторая его часть превратилась в озон, благодаря чему поверхность земного шара получила существенную защиту от ультрафиолетовой радиации, препятствующей развитию жизни.
С появлением свободного кислорода стали возможными более совершенные формы метаболизма и возникло огромное количество эволюционных ветвей разнообразных растений, животных и грибов, которые начали заселять не только водную часть планеты, но и сушу. Одновременно с этим при участии растений и микроорганизмов на твердой поверхности литосферы стала формироваться почва. В результате сложилась чрезвычайно сложная система взаимоотношений разнообразных форм жизни. Взаимодействие различных организмов с окружающей средой создало глобальный биологический круговорот веществ и поток энергии, чем определило развитие биосферы на Земле.
Биосфера возникла в момент появления живых организмов, взаимодействующих с окружающей их средой.
Жизнь, однажды возникнув на Земле в процессе физической эволюции, пройдя химическую эволюцию, подхваченную затем биологической эволюцией, продолжается и в настоящее время. Это происходит потому, что жизнь порождает жизнь («клетка от клетки»), обеспечивая ее непрерывность, бесконечность и огромное разнообразие форм.
