Теория А.И. Опарина «О происхождении жизни на Земле»

ПЛАН 

        1. Теория А.И. Опарина  «О происхождении  жизни на Земле».

     В настоящее время наиболее широкое  признание получила гипотеза о происхождении  жизни на Земле, разработанная советским  ученым академиком А.И. Опариным. Эта гипотеза исходит из предположения о постепенном возникновении жизни на Земле из неорганических веществ путем длительной абиогенной (небиологической) молекулярной эволюции.

     Считают, что Земля и другие планеты  Солнечной системы образовались из газово-пылевого облака около 4,5 млрд. лет назад. На первых этапах своего формирования Земля имела высокую температуру. По мере остывания планеты тяжелые элементы перемещались к её центру, а более легкие оставались на поверхности. Атмосфера состояла из свободного водорода и его соединений (H2O, CH4, NH3, HCN) и поэтому носила восстановительный характер. Это обстоятельство послужило важной предпосылкой возникновения органических молекул небиологическим путем. Соединения, являющиеся восстановителями, легко вступают в химические реакции, отдавая водород, и при этом сами окисляются. Компоненты атмосферы подверглись воздействию различных источников энергии: жесткому, близкому к рентгеновскому, коротковолновому излучению Солнца, грозовым разрядам, высокой температуры в области грозовых разрядов и в районах активной вулканической деятельности и т.п. В результате этих воздействий химически простые компоненты атмосферы вступали во взаимодействие, изменяясь и усложняясь. Возникали молекулы сахаров, аминокислот, азотистые основания, органические кислоты (уксусная, муравьиная, молочная и др.) и другие простые органические соединения.

     Некоторые из этих реакций ученые смогли воспроизвести  в лабораторных условиях. В 1935 г. Американский ученый Л.С. Миллер, пропуская электрический разряд через смесь H2, H2O, CH4 и NH3, получил смесь нескольких аминокислот и органических кислот. В дальнейшем оказалось, что абиогенным путем в отсутствие кислорода могут быть синтезированы многие простые органические соединения, входящие в состав биологических полимеров – белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов. В водной среде при определенных условиях из синильной кислоты, аммиака и некоторых других соединений могут возникать аминокислоты. Из азотистых оснований в присутствии неорганических фосфорных соединений образуется аденозинмонофосфат (АМФ), а также аденозиндифосфат (АДФ) и аденозинтрифосфат (АТФ), сахара, аминокислоты¹.

     Возможность абиогенного синтеза органических соединений доказывается тем, что они  обнаружены в космическом пространстве. В космосе найдены цианистый  водород, формальдегид, муравьиная кислота, метиловый и этиловый спирты и другие вещества. В некоторых метеоритах заключены жирные кислоты, сахара, аминокислоты. Все это свидетельствует о том, что органические соединения могли возникнуть чисто химическим путем в условиях, существовавших на Земле около 4 млрд. лет назад.

     Таким образом, условиями для абиогенного возникновения органических соединений можно считать восстановительный характер атмосферы Земли, высокую температуру, грозовые разряды и мощное ультрафиолетовое излучение Солнца, которое тогда еще не задерживалось озоновым экраном.

     По  мере охлаждения Земли водяной пар, содержавшийся в атмосфере, конденсировался, на поверхность Земли обрушивались дожди, образуя на ней большие  водные пространства. В воде были растворены аммиак, диоксид углерода, синильная  кислота, метан и более сложные органические соединения, образовавшиеся в атмосфере. Органические молекулы, такие, как аминокислоты или нуклеотиды, в водной среде могут связываться друг с другом (конденсировать) с образованием полимеров. При этом выделяется вода. Две аминокислоты могут соединиться пептидной связью, а два нуклеотида – фосфодиэфирной связью. Следует отметить, что для синтеза простых соединений требуются более жесткие условия, чем для возникновения сложных. Например, синтез аминокислот происходит при температуре около 1000 С, а конденсация их в полипептиды – при температуре 160 С.

     Однако  реакции эти в отсутствие белков-ферментов  идут очень медленно. Среди случайно образующихся полипептидов есть такие, которые обладают каталитической активностью  и могли ускорять процессы матричного синтеза полинуклеотидов. Следовательно, следующим важным шагом предбиологической эволюции было объединение способности нуклеотидов к самовоспроизведению со способностью полипептидов к каталитической активности. Стабильность, устойчивость «удачных» комбинаций аминокислот – полипептидов обеспечивается только сохранением информации о них в нуклеиновых кислотах. В свою очередь, полипептиды или белки, синтезируемые на основе информации, заложенной в молекулах РНК, могут облегчать редупликацию этих молекул. Так путем отбора возник генетической код, или «словарь», устанавливающий соответствие между триплетами нуклеотидов и аминокислотами².

     Дальнейшее  усложнение обмена веществ могло  происходить только в условиях пространственной близости генетического кода и кодируемых им белков, а также изоляции реагирующих компонентов от внешней среды. Действительно, отбор молекул РНК по качеству кодируемого ею белка осуществляется только в том случае, если белок не диффундирует в любом направлении, а сохраняется в каком-либо изолированном пространстве, где и участвует в обменных процессах. Возможность отделения белоксинтезирующей системы от внешней среды заложена в физико-химических свойствах молекул. Органические молекулы также окружены водной оболочкой, толщина которой зависит от величины заряда молекулы, концентрации солей в растворе, температуры и прочее. При определенных условиях водная оболочка приобретает четкие границы и отделяется от окружающего раствора. Молекулы, окруженные водной оболочкой, могут объединяться, образуя многомолекулярные комплексы – коацерваты. В первичном океане коацерваты, или коацерватные капли, обладали способностью поглощать различные вещества. В результате этого внутренний состав коацервата претерпевал изменения, что вело либо к распаду, или накоплению веществ, т.е. к росту и к изменению химического состава, повышающего устойчивость коацерватной капли. Судьба капли определялась преобладанием одного из указанных процессов. Академик А.И. Опарин отмечал, что в массе коацерватных капель должен был идти отбор наиболее устойчивых в данных конкретных условиях. Достигнув определенных размеров, материнская коацерватная капля могла распадаться на дочерние. Дочерние коацерваты, структура которых мало отличалась от материнской, продолжали свой рост, а резко отличавшиеся капли распадались. Продолжали существовать только те коацерватные капли, которые, вступая в какие-то элементарные формы обмена со средой, сохраняли относительное постоянство своего состава. В дальнейшем они приобрели способность поглощать из окружающей среды не всякие вещества, а лишь те, которые обеспечивали им устойчивость, а также способность выделять наружу продукты обмена. Постепенно увеличивались различия между химическим составом капли и окружающей средой. В процессе длительного отбора (его называют химической эволюцией) сохранились лишь те капли, которые при распаде на дочерние не утрачивали особенностей своей структуры, т.е. приобрели свойство самовоспроизведения. Эволюция коацерватов завершилась образованием мембраны, отделяющей их от окружающей среды и состоящей из фосфолипидов. Подобные искусственные мембраны, окаймляющие пузырьки размером от 1 до 10 мкм, сейчас без труда создаются в экспериментальных условиях. Образование наружной мембраны предопределило направление дальнейшей химической эволюции по пути развития все более совершенных саморегулирующихся систем вплоть до возникновения первых примитивных клеток. Оказавшись в окруженном мембранной замкнутом пространстве, молекулы РНК эволюционировали, причем признаком, по которому происходил отбор, была не собственная структура РНК, но главным образом свойства кодируемых ими белков³.

     Таким образом, нуклеотидная последовательность РНК стала проявляться в свойствах  клетки как целого. Ключевым событием в возникновении клетки послужило объединение матричной функции РНК и каталитической функции пептидов. На каком-то более позднем этапе эволюции ДНК заменила РНК в качестве вещества наследственности.

     Появление первых клеточных организмов положило начало биологической эволюции. Это  произошло 3 – 3,5 млрд. лет назад. Первые живые организмы обладали способностью к самовоспроизведению и другими основными признаками живого, существовали в восстановительной среде и имели анаэробный тип обмена. По своему строению они напоминали современных бактерий.

       2. Причины вымирания  гигантских млекопитающих  в палеогене (42 млн. лет назад)

       «Палеогеновая система входит  в состав кайнозойской эры.  Отложения кайнозойской группы  представлены преимущественно осадочными  горными породами, среди которых  встречаются  многочисленные хорошо сохранившееся остатки фауны и местами флоры. Органическая жизнь в кайнозое достигает высшей стадии развития. Перешедшие из мезозоя в кайнозой морские и наземные животные быстро размножаются, давая новые виды и роды. После вымирания мезозойских животных в составе наземных и морских представителей появляются формы, близкие к современным.

       Кайнозойская группа разделяется  на три системы: палеогеновую, неогеновую и четвертичную, соответствующие  трём периодам, имеющим такие  же названия. Палеогеновая система входила на правах отдела в состав третичной системы, которая впервые была выделена в 1809 году французскими учёными  Ж. Кювье и А. Броньяром⁴.

       Палеогеновая система (период) –  разделяется на три отдела: нижний- палеоцен, средний- эоцен и верхний – олигоцен.

     Отложения этой системы представлены морскими и континентальными осадками.  В  некоторых районах широко развиты  и магматические породы. Наиболее распространены из пластинчатожаберных  и брюхоногих моллюски, являющиеся господствующими представителями среди морских животных. Многие из них служат руководящими формами для отложений палеогеновой системы. В отложениях палеогена встречаются, кроме того, губки, кораллы, морские ежи.

       Господствующие  положение в палеогене среди  позвоночных животных занимают млекопитающие. Из разнообразных мезозойских пресмыкающихся и амфибий в палеогеновом периоде встречаются лишь формы таких представителей, как крокодилы, черепахи, ящерицы, змеи. В палеогене отмечается широкое развитие высших млекопитающих, или плацентарных животных, составляющих характерную особенность этой системы. В палеогене появились предки парнокопытных, хищных, хоботных, китовых, носороговых, приматов и др.

       Растительность  палеогенового периода характеризуется  повсеместным развитием покрытосеменных растений, среди которых отмечается преобладание двудольных растений, близких или мало отличающихся от современных.

       В палеогене выделяются две климатические  зоны с характерными комплексами  растений: тропическая и умеренная. В течении всего периода происходили мощные горообразовательные движения альпийской складчатости, во время которой были созданы Альпы, Карпаты, Кавказ, горные сооружения Центральной Азии, восточного и западного побережья Тихого Океана. Складчатость сопровождалась неоднократными проявлениями вулканизма»⁵.

         «В течение палеогенового периода  жизнь нашей планеты была довольно  активной: продолжались органические  движения мезозойской складчатости, охватывающей главным образом  район Тихоокеанского пояса (Анды, районы Антарктиды и Аляски); происходили поднятия, регрессии и складкообразовательные движения в Альпийско-Гималайском поясе. Существенной перестройке был подвержен геоструктурный план, что выразилось в изменении ориентировки геосинклинальных прогибов и геотектонического режима различных областей. В это время появились признаки осевых частей, появившихся позднее альпийских горных цепей и кряжей.

       В начале палеогенового периода всё  ещё продолжали существовать довольно обширные континенты. В течении палеогенового  периода осуществлялся постепенный раскол и происходило отделение континентов  с формированием новых и расширением, или наоборот, сужением более древних океанических впадин. Индостан, Австралия и Антарктида разделились.

       В течение палеогена на Земле развивалась  трансгрессия, в результате которой море затопило многие участки суши в пределах древних платформ и плит. Горно-осадочные сооружения, возникшие в результате кимирийских и ламерийских тектонических движений, в течении палеогенового периода подвергались активной денудации. По этому только в начале палеогена многие горные области обладали контрастным рельефом, но уже в эоцене они превратились, а платообразные    возвышенности. Отсутствие высоких горных сооружений в рельефе континентов в палеогеновом периоде сыграло немаловажную роль в распределении воздушных масс и морских течений, и как следствие, в формировании климатов, ландшафтных обстановок и в миграциях органического мира.

       Значительной  части палеогена были свойственны  показатели тёплых климатов и только в конце его известны  показатели более умеренных условий. Несмотря на близкое расположение материков к современному состоянию, находки в высоких широтах показателей тёплого климата   свидетельствуют не только об отсутствии ледовитости в полярных морях и Антарктиде, но и о существовании глобального тёплого климата, весьма резко отличавшегося от современного.

         Однако в конце палеогенового  периода наступило значительное  похолодание, и это привело  к резкому сокращению ширины  экваториального и тропического  поясов. В низких широтах температура понизилась на 5°- 8°градусов, а в  средних широтах градиент снижения температуры было значительно выше. Так, например если в Закавказье в начале олигоцена среднегодовые температуры составляли 20°- 22° C, то в позднем олигоцене они понизились до 10°-12° С. Особенно сильное снижение температуры (до 5° С) произошло в приполярных районах. Такое сильное похолодание вызвало появление в Антарктиде горных ледников. Площадь их постепенно росла, и они в конце концов образовали ледниковый щит, мощность которого продолжала расти.

       Особенность органического мира палеогенового  периода заключалась в абсолютном господстве на суше и море представителей высшей флоры и фауны.

       Наземная  фауна  палеогенового периода  была весьма разнообразной. В течении  большей части палеогена существовала так называемая бронтотериевая фауна, а в конце палеогена её сменила индрикотериевая фауна. В бронтотериевую фауну входили аминодонты, крупные свинообразные энтилодонты, примитивные парнокопытные.

     В конце палеогена под влиянием наступившего и прогрессивно развивающегося похолодания климатические границы сместились  в сторону экватора. Состав тургайской и полтавской флор сильно обеднел в результате исчезновения вечнозелёных тропических и субтропических форм»⁶.

     «Кайнозойские оледенения, начавшиеся с создания Антарктического ледяного щита в Эоцене, оледенения Гренландии в Миоцене, возникновения первого грандиозного (по меркам Кайнозойских оледенений) ледникового колебания Плиоцена, переходят в непрерывную череду все ускоряющихся ледниковых циклов Четвертичного периода. Брайан Джон в книге “Зимы нашей планеты”  пишет : “Океан осуществляет очень строгий контроль над климатом земли, главным образом как огромный резервуар тепла. Океанические течения также способствуют передаче значительных количеств тепла от тропических областей к полярным, в то время как холодные течения, направляющиеся из высоких широт, оказывают охлаждающее воздействие на встречные массивы суши”. Б. Джон подчеркивает, что отдаление Австралии от Антарктиды в Олигоцене и прерывание связи между Южной Америкой и Антарктидой привело к тому, что, впервые океанические течения смогли циркулировать вокруг Антарктического материка, и это свело почти на нет приток тепла из экваториальных и умеренных широт В Северном полушарии дрейф континентов не лишил Северный полюс океанического водного пространства и тепло тропиков с течениями туда при определенных условиях поступать может. Но северная часть материков (Азии, Европы, Америки) вплотную подвинулась к зоне арктических холодов и возникла неустойчивая гляциальная обстановка. Причиной смены ледниковых периодов палеогенового периода, по нашей системе взглядов, является резкое изменение океанических течений (теплых и холодных), по достижению ледником критической максимальной (в одном случае) или критической минимальной (в другом случае) массы.   а также с более медленным, но мощным подводным течением, идущее в Датском проливе, между Гренландией и Исландией.