Становление первичных экосистем. Первичный бульон и эобионты

Современная теория возникновения жизни на Земле, называемая теорией биопоэза

, была сформулирована в 1947 г. английским ученым Дж.Берналом (1901–1971). Суть этой теории сводится к представлениям о трех этапах возникновения жизни[1]. На первом этапе произошло возникновение органических молекул из неорганических, т.е. произошел абиогенный синтез. Опарин и Холдейн предположили (а позднее, в 1953 г., Миллер подтвердил это экспериментально), что в основе абиогенного синтеза лежало воздействие сильных электрических разрядов, ультрафиолетового облучения и радиации на первичную атмосферу Земли, содержавшую пары воды, метан, аммиак, углекислый газ, азот и в очень небольшом количестве водород. В результате образовались углеродные и азотистые соединения умеренной сложности – аминокислоты и азотистые основания (возможно, аденин). Органических веществ, образовавшихся на первом этапе, было очень мало, вероятность реакций между ними была чрезвычайно мала.

На втором этапе шел процесс концентрации возникших органических веществ. Такая концентрация могла идти за счет осаждения органики на частицах глины или гидроокиси железа за счет образования органическими веществами пленки на поверхности воды – такую пленку прибивало к берегу, где концентрация органических веществ увеличивалась в тысячи раз. Кроме того, концентрированию мог способствовать процесс объединения однородных частиц в разбавленных растворах – закон, хорошо известный в химии. В результате повышения концентрации вероятность взаимодействия между органическими молекулами значительно возрастала, что в конечном счете привело к возникновению коацерватов – молекул, окруженных водной оболочкой; такие коацерваты объединялись, образуя многомолекулярные комплексы, т.е. могли уже появиться полимеры.

На третьем этапе началось самовоспроизведение органических молекул, т.е. было положено начало размножению. Вероятно, первыми такими молекулами были ДНК и РНК.

В дальнейшем очень важным процессом было возникновение мембран, т.е. обособление клеток. В основе этого процесса могла лежать адсорбция растворенных в воде белковых молекул на поверхности липидной пленки, покрывающей водоемы. В результате могли возникать двойные липопротеидные пленки, от которых могли отрываться пузырьки. Такие пузырьки, теоретически, могли покрываться вторым липидно-белковым слоем, что приводило к возникновению четырехслойной оболочки с двумя слоями белков по краям и двумя слоями липидов внутри. Взаимная ориентация этих слоев определялась силами электрического притяжения и гидрофобного взаимодействия. Описанный механизм образования мембран – только один из возможных. Образование мембран привело к возникновению систем, которые были способны к саморегуляции и самовоспроизведению. Это и были первые живые организмы – пробионты.

Органической эволюции живых существ на Земле предшествовала эволюция химическая. Эта эволюция была гораздо более длительной; она шла от атома до молекулы, от молекулы до полимера, от полимера до организма.

Химической эволюции, в свою очередь, предшествовала звездная стадия развития доорганической природы; предполагают, что эти события происходили около 4,5 – 6 млрд лет тому назад. В этот период поверхность планеты была раскалена до 1000 °С, все элементы находились в атомарном состоянии. Из-за вращательного движения Земли при постепенном снижении температуры атомы тяжелых металлов перемещались к центру, на поверхности оставались атомы легких элементов (азота, водорода, углерода и др.); при взаимодействии этих элементов образовывались газы, которые поднимались вверх.

На планетарной стадии развития доорганической природы

возникла первичная атмосфера. В этот период появились вода в виде пара, аммиак, метан, водород, углекислый газ, т.е. были созданы условия для начала собственно химической эволюции. При охлаждении до температуры 100 °С начался процесс конденсации. Пошли горячие ливни, сопровождавшиеся непрерывными молниями, образовались большие водоемы. В горячей воде растворялись газы, соли, они вступали в химические реакции, в результате чего на первой стадии химической эволюции произошло формирование из воды, метана и аммиака промежуточных органических молекул, характерных для живых организмов. Главным образом это были углеродные и азотистые соединения умеренной сложности – аминокислоты и азотистые основания. Эти соединения входили в состав так называемого первичного бульона