Краткое содержание: Параграф § 21 / Биология 11 класс

Происхождение жизни: Этапы неорганической и химической эволюции

Параграф посвящен рассмотрению начальных стадий эволюции — планетарной (геологической), неорганической (химической), химической и биологической, которые привели к возникновению жизни на Земле. Эти процессы охватили период около 1 миллиарда лет.

Планетарная (геологическая) эволюция. Согласно научным представлениям, около 5 миллиардов лет назад из газопылевого облака сформировались Солнечная система, включая Землю. Первичная атмосфера состояла из водорода и гелия. Соединения с углеродом происходили через образование карбидов металлов, которые при взаимодействии с водой могли дать метан:

• \( \mathrm{Al}_{4} \mathrm{C}_{3} + 12 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \to 4 \mathrm{Al}(\mathrm{OH})_{3} + 3 \mathrm{CH}_{4} \)

Также возможно прямое образование углеводородов из более простых неорганических веществ:

• \( \mathrm{C} + 2 \mathrm{H}_{2} \to \mathrm{CH}_{4} \)

Первичная атмосфера, восстановительного характера, включала метан (\( \mathrm{CH}_{4} \)), аммиак (\( \mathrm{NH}_{3} \)), угарный газ (\( \mathrm{CO} \)), водород (\( \mathrm{H}_{2} \)) и пары воды (\( \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \)). Свободный кислород отсутствовал. Конденсация паров воды привела к образованию первичного океана (гидросферы).

Химическая эволюция. Начальный этап связан с абиогенным синтезом органических соединений из неорганических в условиях восстановительной атмосферы и под действием мощной энергии электрических разрядов и УФ-излучения. Русский биохимик Александр Иванович Опарин и английский биолог Джон Холдейн независимо друг от друга выдвинули гипотезу о «первичном бульоне» — растворе органических веществ в первичном океане. В 1953 г. американские ученые Стэнли Миллер и Гарольд Юри в экспериментальной установке, имитирующей условия первобытной Земли, получили аминокислоты.

Образование полимеров из мономеров. Второй этап химической эволюции — синтез полимеров (белков, нуклеиновых кислот) из мономеров абиогенным путем. А. И. Опарин считал, что полимеризация происходила за счет коацервации — самопроизвольного разделения водного раствора полимеров на фазы с высокой концентрацией, формируя коацерватные капли. Белковые структуры (протобионты) благодаря своей амфотерности притягивают к себе молекулы воды, образуя коллоидные гидрогели.

В 1955 г. Сидней Фокс получил устойчивые полипептидные структуры (протеиноиды) путем нагревания сухой смеси аминокислот с последующим охлаждением в воде. Протеиноиды могли образовывать шаровидные структуры — микросферы, способные катализировать химические реакции. По другой теории, катализаторами могли быть глины-глиноземы.

Возникновение генетического аппарата. На третьем этапе химической эволюции возник механизм генетического копирования. Первыми носителями генетической информации считаются молекулы РНК, которые взаимодействовали с протеиноидами. Затем информация была передана на ДНК, что обеспечило более устойчивое хранение. Схема передачи генетической информации выглядит так: \( \mathrm{РНК} \to \mathrm{ДНК} \to \mathrm{РНК} \to \mathrm{белок} \).

Формирование мембран и возникновение пробионтов. Третьим (или завершающим химическим) этапом стало формирование мембран. Мембраны могли возникнуть из липидов и белков, образуя однослойные, а затем и двуслойные липидные пленки (\( \mathrm{билипидная} \ \mathrm{мембрана} \)) за счет гидрофобного взаимодействия между неполярными «хвостами» липидов. Протобионты, окруженные белково-липидными мембранами, приобрели избирательную проницаемость и стали предками первых организмов. Переход от пробионтов к клеткам, обладающим точным генетическим копированием, ознаменовал начало органической (биологической) эволюции.

Существует также гипотеза возникновения жизни вблизи «черных курильщиков» — гидротермальных источников на дне океанов, где высокая температура и насыщенность соединениями серы, железа и марганца создают благоприятные условия для ранних стадий жизни.