Радиоизотопный метод позволяет оценить возраст наиболее древних пород на Земле приблизительно в 4,8 млрд лет, что можно ориентировочно принять за возраст нашей планеты. На первом этапе формирования Земля представляла собой разогретое до нескольких тысяч градусов тело, быстро теряющее большие массы водорода и обогащающееся тяжёлыми элементами.
Надёжным подтверждением такого хода событий являются современная раскалённая Венера, расположенная ближе к Солнцу и более холодный, чем Земля, Марс, расположенный дальше от Солнца (табл.4.1). После снижения температуры ниже 1000 оС на Земле началось образование твёрдой земной коры. Вся вода в таких условиях находилась в парообразном состоянии в виде сплошного облачного покрова толщиной несколько тысяч километров. Солнечное излучение не могло достигать поверхности Земли, которая освещалась лишь непрерывными молниями и раскалёнными массами лавы, изливающейся из многочисленных вулканов (рис.4.4) и разломов молодой земной коры.
Через несколько сотен млн лет температура поверхности упала ниже 100оС, пошёл горячий дождь, началось образование первичного океана. Появились условия для накопления первых абиогенных органических веществ, синтез которых мог начаться ещё задолго до формирования самой планеты. Свидетельством этого являются факты обнаружения с помощью спектрального анализа следов различных органических веществ (в том числе аминокислот и нуклеотидов) в космическом пространстве. Органические вещества обнаруживаются и в составе некоторых метеоритов.
Исходными веществами для образования органических молекул могли быть компоненты атмосферы, представленные в табл. 4.1, а также вода с растворёнными минералами и различные вулканические газы (SO2, H2S, NH3, HCl и др.), которые выделяются и в настоящее время при извержениях вулканов. Образование органических веществ из неорганических требует наличия источников энергии, которых на Земле было немало.
В первую очередь это солнечная радиация (ультрафиолет, рентгеновские лучи, гамма-излучение), которая обеспечивала протекание реакций между газообразными веществами в верхних слоях атмосферы. Судя по составу атмосфер Венеры, Марса и других планет (табл.4.1), а также по составу вулканических газов, все необходимые для синтеза химические элементы (С, Н, О, N, S) были в наличии. Возникающие в ходе химических реакций тяжёлые органические молекулы оседали и растворялись в океане.
На поверхности Земли и океана также могли протекать соответствующие реакции за счёт энергии постоянных грозовых разрядов, контактов лавы с водой и минералами, ударов метеоритов и пока ещё интенсивно протекающих процессов радиоактивного распада.
Для накопления в достаточных количествах в условиях высоких температур органические вещества должны были обладать достаточной химической устойчивостью. Такой проблемы не существовало в высоких охлаждённых слоях атмосферы. Там имелась другая проблема – низкой концентрации исходных молекул, что по законам химической кинетики снижает скорость образования продуктов реакций.
Теоретическим показателем устойчивости молекул является изменение энергии Гиббса при их образовании: ∆G = ∆H - T·∆S. Здесь Н – энтальпия (выделение (+∆H) или поглощение (-∆H) тепла), Т – абсолютная температура в оК, S – энтропия. ∆G является результирующей составляющей между энергией, выделяющейся при образовании данного вещества из простых веществ, ∆G которых принимается равной нулю, и энергией, которую необходимо затратить на преодоление энтропийных тенденций. Простыми принято считать такие вещества, в состав молекул которых входит только один элемент: Н2, О2, N2, С(графит). Если при образовании молекул ∆G=0, то процессы образования и распада уравновешены. Если ∆G<0 (отрицательно), то вещество устойчиво и равновесие смещено в сторону образования. Если ∆G>0 (положительно), то вещество неустойчиво, равновесие смещено в сторону распада.
Применение данной теории показывает , что большинство органических молекул, составляющих основу живых организмов, имеют отрицательное значение ∆G, следовательно, такие молекулы могут накапливаться. На первобытной Земле этот процесс дополнительно был смещён в сторону образования органических веществ из-за восстановительных свойств атмосферы, не содержащей свободного кислорода.
Одним из первых, кто экспериментально доказал в 1953 г. возможность синтеза органических веществ из неорганических, был американский биолог Стенли Ллойд Миллер (р.1930). Он в течение нескольких дней пропускал высоковольтные электрические разряды через подогреваемую в герметичной колбе смесь водорода, воды, метана и аммиака. Последующий химический анализ образовавшейся смеси показал наличие в ней аминокислот и некоторых других низкомолекулярных органических веществ.
В дальнейшем аналогичные эксперименты проводились другими исследователями с несколько иными смесями и применением в качестве источников энергии лазеров, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма - излучений. В результате всегда получался некоторый набор органических молекул. В отдельных случаях удавалось получить даже последовательности нуклеотидов и полипептидные (белковые) цепи. Таким образом, можно считать доказанным, что в некоторых участках первичного океана мог образовываться так называемый «первичный бульон».
Лабораторные исследования образующихся растворов органических веществ показали, что при достижении определённой концентрации эти вещества начинают проявлять тенденцию к образованию микрокапелек с концентрацией молекул, которая многократно превышает их концентрацию в окружающем разбавленном растворе. Такие капли в зарубежной литературе получили название микросферы, а в отечественной литературе – коацерваты. Они отдалённо напоминают клетки живых организмов.
Каждая коацерватная капля отделена от окружающего разбавленного раствора слоем упорядоченно расположенных молекул. Такая структура, по законам физической химии, всегда образуется при наличии границы двух несмешивающихся сред и по строению напоминает биологическую мембрану. Коацерваты могут поглощать из окружающей среды и выделять различные молекулы (аналогия обмена веществ). Могут увеличиваться в размерах и распадаться на более мелкие капли (аналогия роста и размножения). Но это очень грубые аналогии, имеющие весьма отдалённое сходство с живыми клетками.
Внутри коацерватов нет никакой упорядоченности, химические процессы протекают абсолютно хаотично. Даже если в коацервате обнаруживаются нуклеиновые кислоты и полипептидные цепи, они характеризуются совершенно случайными последовательностями нуклеотидов, аминокислот и функционально никак не связаны друг с другом. Вопрос о том, как произошёл переход от коацерватов к первой примитивной живой клетке, в которой каждый белок имеет строгий порядок соединения аминокислот, записанный в виде последовательности нуклеотидов, пока остаётся для учёных загадкой.
Изложенная гипотеза коацерватного происхождения жизни впервые была сформулирована в 20-е гг. ХХ столетия советским академиком Александром Ивановичем Опариным (1894 - 1980). Однако эта гипотеза до сих пор не продвинула нас существенно в разгадке появления жизни. Вследствие этого некоторые учёные считают это направление исследований тупиковым .
Основным отличием живого от неживого является наличие большого разнообразия химических реакций, протекающих под действием белков-катализаторов. В связи с этим, по мнению многих учёных зарождение жизни в первую очередь связано не с коацерватами, а с появлением высокомолекулярных, автокаталитических самовоспроизводящихся молекул. На этом направлении исследований и следует ожидать решение проблемы возникновения жизни .
Последние результаты экспериментальных исследований в этом направлении показали, что автокаталитическими свойствами, позволяющими молекулам самовоспроизводиться, обладают некоторые последовательности нуклеотидов, синтезированные искусственно в лабораторных условиях. Причём такими молекулами могут быть как однонитчатые фрагменты ДНК, так и РНК .
В итоге сегодня начальные этапы химической эволюции и зарождения жизни можно представить в виде примерной схемы, (рис. 4.5.).
Рис.4.5. Схема предбиологической химической эволюции Земли
Поможем написать любую работу на аналогичную тему