Этапы биохимической эволюции

Практически сразу, после формирования земной коры началась биохимическая эволюция – эволюция материи в направлении жизни. Поскольку этот процесс был поступательным, то можно выделить как минимум три этапа синтеза.

Абиогенный синтез – образование органического вещества из неорганического химическим путем. Происходил в атмосфере первобытной Земли, когда в ее составе  основными составляющими были метан, аммиак, водород, углекислый газ и пары воды. Такой состав атмосферы характеризуется восстановительными реакциями (в отличие от современной – окислительной). В результате мощного притока энергии солнечного изучения, грозовых разрядов и вулканической деятельности происходило формирование простейших органических соединений: аминокислот, азотистых оснований, молекул сахаров, простых углеводов, других углеродосодержащих соединений. Наличие этих соединений привело к образованию органических веществ – белков, жиров, нуклеиновых кислот, а также  аденозинтрифосфата (АТФ), взявшего на себя роль переносчика энергии.

Этот эволюционный этап биохимической эволюции был подтвержден экспериментально в 1953 г. Г. Юри и С. Миллер, сотрудники Чикагского университета физики, наблюдали возникновение аминокислот и других органических кислот в результате пропускания искрового заряда через смесь метана, аммиака, водорода и воды.

Биополимерный синтез – образование белковых соединений и возникновение биотического круговорота. Простейшие органические соединения, образовавшиеся в атмосфере, накапливались в океане, что спасало их от обратного распада. Оказавшись в водной среде органические соединения накапливались и вступали в реакции между собой. Это способствовало полимеризации и образованию биополимеров – белков и нуклеиновых кислот. Этот процесс происходил в теплых пересыхающих морских лагунах. Накапливающиеся органические вещества  формировали первичный «бульон». Это способствовало формированию биотического круговорота (единого процесса: синтез - разрушение). На сегодня это важнейшее свойство живого вещества, суть которого подчеркнул французский физиолог К. Беренер: «жизнь может быть только там, где есть вместе синтез и органическое разрушение».

Биогенный синтез – формирование отдельных организмов и зарождение жизни. Этот этап эволюции живого описывается рядом гипотез.

Наиболее общепризнанной является гипотеза академика А.И. Опарина – «коацерватной стадии развития жизни». Коацерваты образуются в коллоидных растворах высокомолекулярных соединений и представляют собой капли объемам 10-8÷10 -6 см3. Это становится возможным благодаря присутствию в растворе нескольких разноименно заряженных высокомолекулярных соединений.

Коацерваты обладали рядом признаков, аналогичных свойствам живого вещества (обособленность от окружающей среды, большой степенью концентрации высокомолекулярных соединений, избирательной абсорбцией, способностью дробиться под воздействием механических сил). Однако коацерваты нельзя считать живыми организмами, поскольку у них отсутствует главный признак живого - способность передачи по наследству всех характерных признаков своим потомкам. Однако гипотеза А.И. Опарина не отвечает на главный вопрос, как химическая эволюция переходит в биологическую.

Биологическая эволюция возможна только при условии передачи наследственных признаков. Однако до настоящего времени так и неясен механизм объедения белков и нуклеиновых кислот в единую систему. Носитель наследственной информации ДНК может функционировать лишь при наличии белков-ферментов. Для их синтеза нужна ДНК. Оказалось, что РНК способна совмещать две функции: каталитическую и генетическую. РНК равно как и ДНК способна к саморепродукции при отсутствии белковых ферментов. Тогда эволюция происходила от РНК к белку, от белка к ДНК.

Существуют и другие концепции, объясняющие зарождение жизни, например генобиоз. Эта концепция базируется на признании первичности макромолекулярной системы с функцией генетического кода. Концепцию «химической» самоорганизации выдвинул немецкий микробиолог М. Эйген, считавший, что в первичном «бульоне» происходит спонтанное возникающая конкуренция гиперциклов (упорядоченное множество элементарных циклов химических реакций), что привело к созданию аппарата клетки.

Природа первых организмов  от гетеротрофов к автотрофам. Первые организмы Земли питались органическими молекулами из окружающего «бульона» или другими организмами. Такой тип питания называется гетеротрофным и происходит в результате расщепления с помощью ферментов органических веществ и усвоения продуктов этого расщепления. Этот тип питания свойственен ныне живущим организмам, некоторым группам растений (безхлорофильным), грибам, животным и человеку.

Автотрофные организмы, способные синтезировать питательные вещества из неорганических соединений произошли, вероятно, позже гетеротрофов. Это важный эволюционное продвижение, поскольку с появлением автотрофов живой мир перестал зависеть от количества органического вещества, образование которого происходит медленнее, в сравнении с неорганическим.