Становление первичных экосистем. Первичный бульон и эобионты

. Важно понимать, что свободного кислорода в это время на Земле не было. Он находился в связанном состоянии с такими элементами, как железо, алюминий, кремний, в составе минералов в земной коре. Кислород входил также в состав воды, оксида углерода (II) и оксида углерода (IV).

Постоянное поступление извне энергии излучения и других ее видов привело к накоплению на ранней Земле веществ с высоким содержанием свободной энергии. Эти продукты должны были оставаться растворенными или взвешенными в воде; в воду же попадали продукты, образующиеся в атмосфере. Кроме того, могли возникать асфальтоподобные и смолистые вещества. Наряду с процессами синтеза протекали и процессы распада, так что состояние было близко к стационарному.

Водный раствор и суспензия, по мнению Опарина и Холдейна, послужили той средой, в которой развилась жизнь — это так называемый «разбавленный бульон» Холдейна. Но вполне вероятно, что многие компоненты адсорбировались погруженными в воду породами и впоследствии здесь вступали в различные реакции. Подводой вещества были защищены от разрушения постоянно льющимся ультрафиолетовым светом или электрическими разрядами. Сначала, разумеется, не было ферментов, способных катализировать реакции, и все же некоторые типы реакций могли идти довольно быстро и без ферментов. Общее уравнение разных химических реакций можно выразить как:

aA + bB+…=cC+dD… .

Каждому типу реакции между растворенными веществами можно приписать изменение свободной энергии ΔG. Самыми важными были окислительно-восстановительные реакции. Позднее они стали всеобщим химическим источником энергии для всего живого[2].

На второй стадии

шла полимеризация молекул, приведшая к решающему событию – возникновению динамической структуры, которую мы называем жизнью. На этой стадии под влиянием мощного ультрафиолетового излучения из смеси газов могли сначала образоваться промежуточные соединения, такие как цианистый водород, формальдегид, муравьиная кислота и др. Затем в результате химической эволюции эти соединения образовали биологические мономеры. На этом закончился первый этап биопоэза.

Возможность такого рода событий была показана в 1953 г. в опытах Миллера и Юри. Эти ученые подавали смесь метана, аммиака и водорода в специальные сосуды и пропускали через эту смесь мощный искровой разряд, который заменял ультрафиолетовое излучение. В результате длительного непрерывного пропускания разряда в водной фазе образовались различные органические соединения, среди которых были обнаружены биологические мономеры: мочевина, молочная кислота, несколько разных аминокислот. Позднее эти опыты были повторены с использованием других видов энергии, в частности радиационного излучения.

Образовавшиеся биологические мономеры частично разрушались, частично вступали в химические реакции с другими мономерами с образованием биополимеров. Это была вторая стадия биопоэза, результатом которой было образование, скорее всего, молекул РНК. Предполагают, что именно эти молекулы были первыми биополимерами на Земле. В дальнейшем могли возникнуть первые молекулы ДНК и белки, обладающие ферментативной активностью. Наличие таких биополимеров позволяло образовывать системы с обратной связью. Системы такого вида уже обладают некоторыми признаками жизни, но еще не могут быть отнесены к собственно живым организмам.

Итак, отдельные похожие и сравнительно несложные органические соединения начали объединяться в крупные биологические молекулы. Образовались ферменты

– белковые вещества-катализаторы, которые способствуют возникновению или распаду молекул. В результате деятельности первичных ферментов возникли одни из важнейших органических соединений – нуклеиновые кислоты, сложные полимерные (т.е. состоящие из многих блоков-мономеров) вещества. Мономеры в нуклеиновых кислотах расположены таким образом, что несут определенную информацию, код, заключающийся в том, что каждой аминокислоте, входящей в белок, соответствует определенный набор из трех мономеров, так называемый триплет нуклеиновой кислоты. Таким образом, на основе «планов» нуклеиновых кислот строятся белки и происходит обмен с внешней средой веществом и энергией. Затем возникают и другие сложные органические соединения. Эта стадия была ключевой, переломной в возникновении жизни на Земле. Молекулы нуклеиновых кислот приобрели свойство самовоспроизведения себе подобных; заключенная в кислотах информация вела к строгой упорядоченности отдельных составляющих их мономеров. Молекулы нуклеиновых кислот стали управлять всем процессом образования белковых веществ[3].