Эволюция биосферы на протяжении большей части своей
истории шла под влиянием двух главных факторов:
• естественных геологических и климатических изменений
на планете;
• изменений видового состава и количества живых существ
в процессе биологической эволюции.
На современном этапе следует учитывать и третий фактор —
развивающееся человеческое общество.
7.4. Эволюция — история жизни 295
7.4.2.1. Химическая эволюция живого
На основании последних теоретических и экспериментальных
данных считается, что жизнь зародилась в пределах
Солнечной системы на ранних стадиях ее развития. Подтверждением
этого является тот факт, что органические соединения
достаточно большой сложности (вплоть до аминокислот) присутствуют
в некоторых метеоритах — древнейших каменных
телах, сохранивших признаки своего образования в «замороженном
» состоянии. Список органических соединений в метеоритах
(осколках астероидов) достаточно велик.
Синтез сложных органических соединений как предшественников
живого вещества был закономерным этапом в химической
эволюции Солнечной системы в канун формирования
планет. Это явление было типичным и массовым.
Большинство современных теорий, расходясь в некоторых
деталях, в целом аналогичным образом трактуют начальные
стадии возникновения и химической эволюции жизни в пределах
нашей планеты.
Теория Опарина. Отсутствие в атмосфере кислорода, вероятно,
было необходимым условием для возникновения жизни.
Лабораторные опыты показали, что органические вещества
(основа живых организмов) значительно легче синтезируются
(создаются) в восстановительной среде, чем в присутствии кислорода.
Известным советским ученым А. И. Опариным (1923) была
высказана гипотеза, что органические вещества могли создаваться
в океане из более простых соединений при воздействии
интенсивного ультрафиолетового излучения Солнца, которое
в тот период не ослаблялось слоем озона, ибо его еще не
существовало. Отсутствие озонового слоя означало, что жизнь
в те времена могла развиваться только в воде на глубинах более
10 м. Разнообразие простых соединений в океанах, площадь
поверхности Земли, доступность энергии и масштабы
времени позволили Опарину предположить, что в океанах постепенно
накопились органические вещества и образовался тот
«первичный бульон», в котором смогла возникнуть жизнь.
С. Миллер (1953) на лабораторной установке смоделировал
условия (температуру, давление, состав газовой среды, а также
высоковольтный электрический разряд как: источник энергии),
которые предположительно имели место на Земле в те далекие
времена. Ему удалось синтезировать многие биологически
важные вещества, такие, как аминокислоты, аденин и
296 Глава 7. БИОСФЕРА
простые сахара. На подобной установке синтезировались простые
нуклеиновые кислоты. Позже эти результаты были многократно
проверены и уточнены.
Подтвержденная экспериментально теория Опарина завоевала
широкое признание, однако наиболее тонким звеном
в ней (проблемой, не решенной до настоящего времени окончательно)
является переход от сложных органических веществ
к простым живым организмам. Предлагается лишь относительно
приемлемая общая схема, и отсутствует единое мнение
о деталях этого процесса.
А. И. Опарин предположил, что превращение неживого
в живое происходило благодаря белкам, которые имеют свойство
образовывать коллоидные комплексы, притягивающие к себе
молекулы воды и создающие из них некую оболочку. Эти
комплексы могут обособляться от остальной массы воды и сливаться
друг с другом, т. е. возможен процесс коацервации (от
лат. coacervatio — собирание в кучу, накопление). Богатые
коллоидами коацерваты, возможно, были способны избирательно
извлекать и накапливать из окружающей среды различные
соединения. Состав конкретного коацервата, вероятно,
зависел от состава окружающей его среды.
Разнообразие «первичного бульона» в разных местах вызывало
различие в химическом составе коацерватов — условие
для «биохимического естественного отбора». Внутри коацерватов
вещества могли вступать в различные химические реакции,
в том числе поглощать ионы металлов и образовывать
ферменты. На границе коацерватов и окружающей их среды
выстраивались липиды, что вело к образованию примитивной
клеточной мембраны, создававшей стабильность коацерватов
и обеспечивавшей пространственно-временное разобщение начальных
и конечных продуктов реакции. Образование мембранной
структуры считается самым трудным этапом химической
эволюции. Истинное существо (в виде клетки, пусть даже
самой примитивной) не могло оформиться до возникновения
мембранной структуры и ферментов.
Рост размеров коацерватов и их фрагментация (деление),
возможно, вели к образованию одинаковых коацерватов, и таким
образом процесс мог продолжаться. Описанная последовательность
событий должна была привести к возникновению
примитивного гетеротрофного организма, питающегося органическими
веществами первичного бульона.
У современных организмов выявлено большое разнообразие
биохимических путей связывания и освобождения энер-
7.4. Эволюция — история жизни 297
гии, что, вероятно, отражает первые эксперименты природы
над живыми организмами.
Хиральная чистота жизни. В воссозданной схеме происхождения
жизни одним из самых загадочных остается факт,
сформулированный Л. Пастером в виде закона хиральной1
чистоты:
II живое вещество состоит только из хирально чистых
I структур.
Хиральность или хиральная чистота — свойство объекта
(индивидуальных молекул и их соединений) быть несовместимыми
со своим отображением в идеально плоском зеркале.
Так, белки живого построены только из «левых» (левовращаю-
щих — поляризующих свет влево) аминокислот, а нуклеиновые
кислоты состоят исключительно из «правых» (правовращающих
— поляризующих свет вправо) Сахаров и так далее.
Вещества небиогенного происхождения всегда имеют одинаковое
количество «правых» и «левых» молекул, они зеркально
симметричны.
Эксперименты показали, что только в хирально чистых
растворах могло возникнуть биологически значимое удлинение
цепочки полинуклеотидов и процесс саморепликации.
Живые системы организованы так, что т-РНК2 из «правых»
Сахаров присоединяет к себе только «левые» аминокислоты.
Все живое поддерживает свою хиральную чистоту, и эволюция
не снабдила организмы средствами для обитания в зеркально
симметричной среде. Поэтому возникновение живого из неживого
в современных условиях невозможно.
Роль хиральности в живой природе столь велика, что поиск
хирально чистых веществ на других планетах рассматривается
как один из вариантов обнаружения внеземной жизни.
Первые организмы. В позднем архее (более 3,0 млрд лет
назад) на дне небольших водоемов или мелководных, теплых и
богатых питательными веществами морей возникли первые
организмы в виде мельчайших примитивных существ — про-
тобионтов (от греч. protos — первый, bions — живущий).
Предполагается, что они были гетеротрофами, так как толь-
1 Происхождению термина «хиральность» (от греч. cheir — рука)
способствовала аналогия с правой и левой руками. В отечественной литературе
встречается иное написание термина — «киральность».
2 т-РНК — транспортная рибонуклеиновая кислота
298 Глава 7. БИОСФЕРА
ко гетеротрофы могут использовать энергию, заключенную
в сложных органических веществах первичного бульона, синтезированных
в ходе химической эволюции. Для самых ранних
стадий жизни химические реакции синтеза питательных
веществ были слишком сложны и недоступны. Вероятно, про-
тобионты были дрожжеподобными анаэробами и энергию, необходимую
для дыхания, получали путем брожения. Однако
брожение по сравнению с кислородным дыханием — относительно
малоэффективный способ энергообеспечения. Поэтому
эволюция не могла пойти дальше одноклеточной формы организации
жизни, к которым относятся одноклеточные прокариоты.
Питание первых примитивных организмов было ограниченно
и, по-видимому, зависело от медленно опускавшихся органических
веществ, синтезировавшихся под действием радиации
в верхних слоях воды, куда «голодные» микробы не рисковали
подниматься.
Таким образом, схема образования живого из неживого
выглядит следующей чередой (последовательностью) событий:
Неорганические соединения
Органические соединения
«Первичный бульон»
Коацерваты
Протобионты
Предбиологические многомолекулярные системы
ДНК
Клетка
Многоклеточные организмы
увпмоепроерзПхорорсидыитае , лвоссьтвен янхыз еахгжнр иорнвмаысыаесд хусн ж выведохщез ннеуисситйпкв.ен хкоЕа вхпде ирнбноиисоеотймых имвжмс ижеизоиинб виъоые,т мвиел мтпюеыоющ ктнеа й ахе ащмтреенао конртгеииетире.