Земля и жизнь

C http://ai-malyshev.narod.ru/PDF/Malyshev_Ref3.pdf

Mалышев A., Mалышева Л.

Cуществуют две группы взглядов на происхождение земных форм жизни. Первая из них соответствует представлениям о зарождении жизни непосредственно на Земле, благодаря абиогенному синтезу сложных углеводородных соединений.

Вторую группу взглядов представляют варианты концепции панспермии- представлениями о изначальном присутствии неких жизненных спор во Вселенной.

Начало современным научным представлениям о происхождении жизни было положено в 1920-е годы А.И. Опариным и Дж. Холдейнoм. По их сценарию, к возникновению жизни на Земле привела следующая последовательность процессов: абиогенный синтез органических соединений, их накопление в океане вплоть до образования насыщенного “питательного бульона” – формирование фазово-обособленных органических микросистем (коацерватов) – появление пробионтов, т.е. первичных протоорганизмов – образование прокариот, простейших из известных живых организмов. Этот сценарий лежит в основе современных вариантов океанической концепции происхождения жизни.

B 1953 г. С. Миллер воспроизвел в колбе газовый состав первичной атмосферы Земли (смесь Н2, Н2О, СН4, NH3) и при помощи электрических разрядов, имитирующих грозы, синтезировал в ней ряд органических соединений, в том числе аминокислоты.С. Фокс, Р. Янг и другиe произвели абиогенный синтез органических соединений.

Согласно этим экспериментам из неорганических и простых органических соединений легко синтезируются аминокислоты в широком диапазоне температур, из них – белковые макромолекулы (безматричный синтез полипептидов), которые в свою очередь в результате процесса самосборки образуют фазово-обособленные протеиноидные микросферы, по размерам сопоставимые с простейшими бактериями.

Л.М. Мухин с соавторами установил наличие аминокислоты глицин в гидротермальных водах на Камчатке, а Е.К. Мархинин разработал концепцию вулканического происхождения предбиологических соединений и высказал предположение о вероятном возникновении жизни в горячих озерах вблизи вулканов. В 1981 г. Дж. Корлисс, Дж. Бэросс и С. Гоффман изложили модель возникновения жизни в районе выходов гидротермальных источников на дне океанов.

Т.Д. Брок, изучая наземные горячие источники, обнаружил термофильные формы бактерий, живущие при температуре выше 80ºС, a группа(Archaebacteria обитаeт в горячих источниках при температуре кипения воды. К. Везе, обобщая данные по эволюции микроорганизмов, расположил данную группу в основании бактериального филогенетического дерева. В результате все прокариоты (бактерии, не имеющие обособленного ядра) разделились на две группы – архебактерий (Archaea) и эубактерий (Bacteria). В ходе дальнейших исследований выяснилось, что архебактерии и эубактерии являются параллельными ветвями, развившимися из общей предковой формы – Прогенота.

Реконструкция К. Везе главных характеристик Прогенота на основе анализа тенденций изменчивости форм в нижней части эволюционного дерева бактериального мира, привела к выводу о гипертермофильности Прогенота, т.е. о его существовании при температуре кипения воды. С этим выводом полностью согласуется вариант филогенетического дерева бактериального мира, обоснованный К. Штеттером.

В соответствии с концепцией В.Н. Компаниченко, процесс зарождения простейших живых организмов протекал поэтапно: абиогенный синтез органических соединений; самосборка макромолекул в микросферы; скачкообразная трансформация микросфер в пробионты – эмбриональные формы протожизни; развитие из пробионтных протоэкосистем простейших экосистем гипертермофильных бактерий. При этом сильно неравновесные, флуктуирующие условия недр гидротермальных систем являются ключевым фактором для развития спонтанной самоорганизации, обуславливающей акт перехода от неживой к живой материи.

Не так давно М. Расселл и У. Мартин попытались конкретизировать процесс зарождения жизни в гидротермальных системах - этот процесс протекал в крошечных углублениях в пиритовых породах, игравших роль неорганических инкубаторов естественных клеток. Это предопределило дальнейшее развитие клеточных структур первичных микроорганизмов.

Физические условия зарождения жизни в реконструкции Е. Нисбета и Н. Слипа выглядят следующим образом. Солнечная система имеет возраст почти 4.6 млрд. лет. Наиболее древние строго установленные свидетельства жизни обнаружены в породах с возрастом около 3.5 млрд. лет, т.е. сформированных спустя 1 млрд. лет после аккреции Земли. К этому времени комплекс кислородного фотосинтеза уже развился, они предполагают возможное существование жизни на Земле уже 4 млрд. лет назад. До этого сильная метеоритная бомбардировка кипятила океаны, делая маловероятной существование жизни около 4.2–4.0 млрд. лет назад, с возможным исключением лишь для гипертермофильных организмов, живущих глубоко в гидротермальных системах. А еще раньше, приблизительно около 4.5 млрд. лет назад, главный метеоритный удар, возможно, расплавил всю Землю. Поэтому для сохранения наиболее ранней жизни, по мнению Нисбета и Слипа, были пригодны Венера, на которой, в это время присутствовали океаны, и Марс, подвергшийся меньшему количеству метеоритных ударов. Именно эти планеты непосредственно после главного метеоритного удара стали источниками первичной жизни, а затем вместе с Землей активно участвовали в метеоритном обмене этими первичными формами.
Исследователи считают, что к концу метеоритной бомбардировки (4 млрд. лет назад) Земля имела глубокие океаны. Oбщий предок всех клеток может датироваться этим временем. Он, возможно, был гипертермофилом, живущим при температурах выше 75°C. Частые большие метеоритные удары, возможно, вызывали краткие, но катастрофические повышения температуры морской воды и только гипертермофильный последний общий предок выжил.

По завершению аккреции океаны стабилизировались на поверхности планеты. При этом распределение воды между недрами Земли и ее океанами было обусловлено тепловым балансом мантии, определившим равновесие между потерей и получением воды недрами. Фотосинтез, по мнению исследователей, развился постепенно, возможно как адаптация терморегуляции вокруг гидротермальных выходов. 3.5 млрд. лет назад, по изотопным соотношениям углерода, устанавливается начало современного фотосинтетического углеродистого цикла. В это время жизнь распространилась на среднетермофильную среду обитания, а поверхностная температура планеты была, скорее всего, очень близка сегодняшней (±0–30°C).

Во всех вариантах необходимая предпосылка возникновения жизни - существование зон повышенной концентрации примитивных углеводородных соединений.

Дж. Равен и К. Скин предполагают возникновение этих зон в результате накопления в древних океанах Земли примитивных органических соединений, образующихся при взаимодействии космических факторов (метеориты, кометы, солнечное излучение) с атмосферой и океаном. Это же взаимодействие давало наиболее существенный вклад в обеспечение энергией ранней жизни в океане.

Наличие обогащенных примитивными органическими соединениями зон в современных гидротермальных системах предполагается на основании косвенных признаков. В.Н.

Компаниченко использует факты обнаружения разнообразных органических соединений (от метана до аминокислот) в водах современных горячих источников и в газово-жидких включениях минералов гидротермального происхождения.

Зоны естественного углеводородного синтеза как среда для зарождения первичной жизни. Hеобходимая для зарождения жизни повышенная концентрация углеводородных соединений закономерно возникает в ходе планетарных дегазационных процессов в зонах естественного углеводородного синтеза.

Таким образом, положение о зонах естественного углеводородного синтеза является объединяющим и упрощающим моментом, как для океанического, так и для гидротермального вариантов гипотез о формировании жизни на Земле. В частности, из температурного режима этих зон автоматически следует гипертермофильность первичных микроорганизмов, т.е. Прогенота.

Наличие единой среды миграции и распространения зарождающихся микроорганизмов – океана – способствовало закреплению возникшего Прогенота.

Косвенным свидетельством в пользу большого значения океанских гидротермалей для зарождения жизни на Земле служит сам факт обилия и многообразия форм жизни в океанских гидротермальных биоценозах - в пробах воды из зоны разгрузки гидротерм обнаруживается значительное количество микроорганизмов – общая численность бактерий в воде на выходе гидротерм обычно на 1–2 порядка превышает численность бактерий в придонной воде вне зон гидротермального воздействия. Здесь также выявлено обилие и высокая степень эндемизма гидротермальной фауны, часто на уровне отрядов и выше, не говоря уже о таксонах более низких рангов.

Если углеводороды зон естественного углеводородного синтеза служили строительным материалом и питательной средой зарождающейся жизни, то первичным источником энергии для Прогенота было тепло земных глубин.

Последующий вынос протожизни флюидными струями из зон естественного углеводородного синтеза на дне океана или с малых глубин под поверхностью материков привел к ее отрыву от первоначального источника энергии. А это, в свою очередь, обусловило адаптацию первичной жизни к существованию за счет энергии солнечного света.

Дальнейшая эволюция жизни на Земле привела к существенному разветвлению и усложнению цепей питания, однако в основе их по-прежнему лежит энергия солнечного света.

B эпоху “кипящих океанов” формирование зон естественного углеводородного синтеза в приповерхностных породах дна возможно лишь при температурах ниже 100oС, а формирование зон естественного углеводородного синтеза в атмосфере исключается, так как масса планеты оказывается недостаточной для создания там условий конденсации H3S и CO2. Более подробно этот вопрос можно рассмотреть на примере современного состояния Венеры.

next
3оны естественного углеводородного синтеза. Возникновение предбиологических состояний и зарождение жизни
функционирование зон естественного углеводородного синтеза