Биохимическая эволюция

Биохимическая эволюция.

Учёными установлено, что возраст Земли составляет примерно 4,5-5 млрд. лет. По мнению  физиков, астрономов, геологов, биологов, в далеком прошлом состояние нашей планеты было мало похоже на нынешнее: температура ее поверхности была очень высокой (4000-8000°С), и по мере того, как Земля остывала, углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовали земную кору; поверхность планеты была, вероятно, голой и неровной, так как на ней в результате вулканической активности, непрерывных подвижек коры и сжатия, вызванного охлаждением, происходило образование складок и разрывов. Полагают, что в те времена атмосфера была совершенно не такая, как теперь. Легкие газы - водород, гелий, азот, кислород и аргон - уходили из атмосферы, так как гравитационное поле нашей еще недостаточно плотной планеты не могло их удержать. Однако простые соединения, содержащие (среди прочих) эти элементы, должны были удерживаться; к ним относятся вода, аммиак, двуокись углерода и метан. До тех пор пока температура Земли не упала ниже 100°С, вся вода, вероятно, находилась в парообразном состоянии.  Отсутствие в атмосфере кислорода было, вероятно, необходимым условием для возникновения жизни; Но отсутствие свободного кислорода было недостаточным условием для возникновения жизни. Если бы свободный кислород присутствовал на Земле в добиотический период, то, с одной стороны, он окислял бы синтезирующиеся органические вещества, а с другой - образуя озоновый слой в верхних горизонтах атмосферы, поглощал бы высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение Солнца. В рассматриваемый период возникновения жизни, длившийся примерно 1000 млн. лет, ультрафиолет был, вероятно, основным источником энергии для синтеза органических веществ.
Над проблемой происхождения жизни  трудился академик А. И. Опарин, он разработал теорию возникновения живого на Земле. Его гипотеза состоит в том, что при формировании планеты, миллиарды лет назад, на ней появились первые простейшие органические вещества - углеводороды. Со временем они изменялись и усложнялись, вступая, в химическое соединение с атмосферным азотом, превращались в новые вещества - более сложные, органические вещества возникали из простейших соединений - аммиака, метана, водорода и воды. Энергия, необходимая для подобных превращений, могла быть получена или от ультрафиолетового излучения, или от частых грозовых электрических разрядов  - молний. Возможно, эти органические вещества постепенно накапливались в Древнем океане, образуя  "первичный бульон ", в котором и зародилась жизнь.
По гипотезе А. И. Опарина, в первичном бульоне длинные нитеобразные молекулы белков могли сворачиваться в шарики, «склеиваться» друг с другом, укрупняясь. Благодаря этому они становились устойчивыми к разрушающему действию прибоя и ультрафиолетового излучения.
Позднее, по теории  русского учёного А. И. Опарина и английского учёного  Дж. Холдейна  (независимо от Опарина к таким же выводам пришел английский ученый Дж. Холдейн.1929г.), была  сформулирована гипотеза, изложенная в 1924 году, которая рассматривала жизнь,  как результат длительной эволюции углеродных соединений. 
 
 На основе углеводородов возникли вещества, близкие по составу к белкам и другим органическим соединениям, из которых состоят живые организмы. Однако все эти органические вещества не имели главного признака жизни - они не были способны к обмену веществ. 
В основе обмена веществ лежат химические реакции, которые обеспечивают постоянное обновление живого вещества и дают живому организму необходимую энергию.
При взаимодействии белковоподобных веществ, находящихся в первобытных морях и океанах, возникли полужидкие, студенистые "капельки " - коацерваты (от латинского слова "коацервату-с"- " собранный, " сгусток ") Белковые «шарики» в «первичном бульоне» притягивали к себе, связывали молекулы воды, а также жиров. Жиры оседали на поверхности белковых тел, обволакивая их слоем, структура которого отдалённо напоминала клеточную мембрану. Этот процесс Опарин назвал коацервацией, а получившиеся тела  коацерватными каплями, или просто коацерватами. С течением времени коацерваты поглощали из окружавшего их раствора всё новые порции вещества, их структура усложнялась до тех пор, пока они не превратились в очень примитивные, но уже живые клетки. Эти белковые образования были способны взаимодействовать с другими веществами. В коацерватах уже происходили химические превращения, что давало им возможность расти, видоизменяться. Их внутреннее строение становилось всё более сложным и совершенным - коацерваты приближались к живому веществу, способному к обмену веществ и к размножению.
В ряде опытов было установлено, что образование коацерватных суспензий, или микросфер, типично для многих биологических полимеров в растворе. Коацерватные капли обладают некоторыми свойствами, характерными и для живой протоплазмы, как, например, избирательно адсорбировать вещества из окружающего раствора и за счет этого «расти», увеличивать свои размеры. Благодаря тому, что концентрация веществ в коацерватных каплях была в десятки раз больше, чем в окружающем растворе, возможность взаимодействия между отдельными молекулами значительно возрастала.
Известно, что молекулы многих веществ, в частности полипептидов и жиров, состоят из частей, обладающих разным отношением к воде. Гидрофильные части молекул, расположенные на границе между коацерватами и раствором, поворачиваются в сторону раствора, где содержание воды больше. Гидрофобные части ориентируются внутрь коацерватов, где концентрация воды меньше. В результате поверхность коацерватов приобретает определенную структуру и в связи с этим свойство пропускать в определенном направлении одни вещества и не пропускать другие. Благодаря этому свойству концентрация некоторых веществ внутри коацерватов еще больше возрастает, концентрация других уменьшается, и реакции между компонентами коацерватов приобретают определенную направленность. Коацерватные капли становятся системами, обособленными от среды. Возникают протоклетки, или протобионты.
Важным этапом химической эволюции явилось образование мембранной структуры. Параллельно с появлением мембраны шло упорядочение и усовершенствование метаболизма. В дальнейшем усложнении обмена веществ в таких системах существенную роль должны были играть катализаторы.

В 1953 году американский исследователь Стэнли Миллер в ряде экспериментов моделировал условия, существовавшие на Земле приблизительно 4 млрд. лет назад. Миллеру удалось получить  ряд аминокислот, альдегидов, молочную, уксусную и другие органические кислоты. Американский биохимик  Серил Поннаперума добился образования нуклеотидов и АТФ. В ходе таких и аналогичных опытов моделируя предположительные условия  первичного океана.
Второй этап состоял в дальнейших превращениях органических веществ и образовании абиогенным путем более сложных органических соединений, в том числе и биологических полимеров.
Американский химик С. Фокс экспериментировал со смесями аминокислот, подвергал их нагреванию и получал протеиноподобные вещества. На первобытной земле синтез белка мог проходить таким же образом  на поверхности земной коры. В небольших углублениях в застывающей лаве возникали водоемы, содержащие растворенные в воде малые молекулы, в том числе и аминокислоты. Когда вода испарялась или выплескивалась на горячие камни, аминокислоты вступали в реакцию, образуя протеиноиды.
 
Теория Опарина завоевала широкое признание, но она, оставляет нерешенными многие  проблемы, связанные с переходом от сложных органических веществ к простым живым организмам. Как и другие теории происхождения жизни в теории биохимической эволюции есть много вопросов без ответов. Хотя эту гипотезу происхождения жизни признают очень многие ученые, астроном Фред Холл недавно высказал мнение, что мысль о возникновении живого в результате описанных выше случайных взаимодействий молекул “столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке Боинга-747”. Самое трудное для этой теории - объяснить появление способности живых систем к самовоспроизведению. Гипотезы по этому вопросу пока малоубедительны.