Екатерина Захарова - Биология. Общая биология. Профильный уровень. 10 класс

Что же могло в действительности происходить в условиях первичной Земли? Для того чтобы определить это, необходимо знать, какие виды энергии вероятнее всего воздействовали на ее атмосферу.

Развитие и преобразование материи без притока энергии невозможно. Рассмотрим те источники энергии, которые обусловливают дальнейшую эволюцию веществ уже не в космосе, а на нашей планете – на Земле.

Оценить роль источников энергии нелегко; при этом необходимо учитывать неравновесность условий, охлаждение продуктов реакции и степень их экранирования от источников энергии.

По-видимому, любые источники энергии (табл. 2.3) оказывали значительное влияние на преобразование веществ на нашей планете. Как это происходило? Конечно, свидетельств объективного характера просто не существует. Однако процессы, протекавшие на нашей Земле в глубокой древности, можно смоделировать. Во-первых, необходимо определить временные границы, а во-вторых, воспроизвести с возможной точностью условия в каждой из обсуждаемых эпох существования планеты.

Для обсуждения вопросов о происхождении жизни на Земле помимо знания источников энергии, необходимых для преобразования материи, нужно иметь и достаточно четкое представление о времени этих преобразований.

Таблица 2.3. Возможные источники энергии для первичной химической эволюции

Таблица 2.4. Периоды полураспада и другие данные о некоторых элементах, используемых при определении возраста Земли

Развитие физических наук в настоящее время предоставило биологам несколько эффективных методов определения возраста тех или иных пород земной коры. Сущность этих способов заключается в анализе соотношения различных изотопов и конечных продуктов ядерного распада в образцах и соотнесении результатов исследования со временем расщепления исходных элементов (табл. 2.4).

Использование подобных методов позволило ученым построить временную шкалу истории Земли с момента ее остывания, 4500 млн лет назад, и до настоящего времени (табл. 2.5). Теперь наша задача состоит в том, чтобы внутри этой временной шкалы установить, каковы были условия на примитивной Земле, какого рода атмосферу имела Земля, какая была температура, давление, когда образовались океаны, и как сформировалась сама Земля.

Таблица 2.5. Геохронологическая шкала

Сегодня воссоздание условий, в которых возникли первые «зародыши жизни», имеет принципиальное значение для науки. Велика заслуга А. И. Опарина, в 1924 г. предложившего первую концепцию химической эволюции, согласно которой в качестве отправной точки в лабораторных экспериментах по воспроизведению условий первичной Земли предлагалась бескислородная атмосфера.

В 1953 г. американские ученые Г. Юри и С. Миллер подвергли смесь метана, аммиака и воды действию электрических разрядов (рис. 2.5). Впервые с помощью такого эксперимента среди полученных продуктов были идентифицированы аминокислоты (глицин, аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты).

Опыты Миллера и Юри стимулировали исследования молекулярной эволюции и происхождения жизни во многих лабораториях и привели к систематическому изучению проблемы, в ходе которого синтезированы биологически важные соединения. Основные условия на первобытной Земле, принятые во внимание исследователями, приведены в таблице 2.6.

Давление, как и количественный состав атмосферы, трудно рассчитать. Оценки, сделанные с учетом «парникового» эффекта, весьма произвольны.

Расчеты, в которых приняты во внимание «парниковый» эффект, а также приблизительная интенсивность солнечной радиации в абиотическую эру, привели к значениям на несколько десятков градусов выше температуры замерзания. Почти все эксперименты по воссозданию условий первичной Земли выполнены при температурах 20–200 °С. Эти пределы были установлены не путем расчетов или экстраполяции некоторых геологических данных, а скорее всего с учетом температурных границ устойчивости органических соединений.

Использование смесей газов, подобных газам первичной атмосферы, различных видов энергии, которые были характерны для нашей планеты 4–4,5×10 9лет тому назад, и учет климатических, геологических и гидрографических условий того периода позволили во многих лабораториях, занимающихся изучением возникновения жизни, найти доказательства путей абиотического возникновения таких органических молекул, как альдегиды, нитриты, аминокислоты, моносахариды, пурины, порфирины, нуклеотиды и т. д.

Рис. 2.5. Аппарат Миллера

Таблица 2.6. Условия на первобытной Земле

Возникновение протобиополимеров представляет собой более сложную проблему. Необходимость их существования во всех живых системах очевидна. Они ответственны за протоферментативные процессы(например, гидролиз, декарбоксилирование, аминирование, дезаминирование, перекисное окисление и т. д.), за некоторые весьма простые процессы, как, например, брожение, и за другие, более сложные, например фотохимические реакции, фотофосфорилирование, фотосинтез и т. д.

Наличие воды на нашей планете (первичный океан) обусловило возможность возникновения протобиополимеров в процессе химической реакции – конденсации. Так, для образования в водных растворах пептидной связи согласно реакции:

необходимы затраты энергии. Эти затраты энергии во много раз возрастают при получении белковых молекул в водных растворах. Для синтеза макромолекул из «биомономеров» требуется привлечение специфических (ферментативных) методов удаления воды.

Summary

General process of evolution of matter and energy in the Universe includes several consecutive stages. Among them are the formation of space nebulae, their development and structuring of planetary systems can be recognized. Transformations of substances that take place on the planets are determined by some general natural laws and depend on the position of the planet within the star system. Some of these planets, like the Earth, are characterized by the features that enable the development of inorganic matter towards appearance of various complicated organic molecules.