Химическая эволюция в истории земли кратко
Обновлено: 05.07.2024
Одна из современных гипотез утверждает, что наша планета никогда не была расплавлена полностью (Лосев, 1985, с. 40–41). Предположение о том, что Земля сформировалась в виде относительно холодного твердого тела и затем постепенно разогревалась теплом, выделившимся при распаде радиоактивных элементов, принадлежит Ю. Ю. Шмидту. Оказывается, в процессе аккумуляции планет в газопылевом облаке, где главным их источником являлись твердые частицы, могли образоваться очаги расплавленной магмы, в которых начиналась дифференциация Земли на силикатную мантию и железное ядро (Рускол и Сафронов, 1990, с. 72–79). Действительно, если бы планета изначально была огненно-жидким телом, то должны были бы сохраниться мощные отложения карбонатных осадков, выпавших из охлаждающейся атмосферы. Подобных осадков нет.
Имеются и другие факты, подтверждающие идею Шмидта. Например, из раскаленной атмосферы улетучились бы благородные газы, но они сохранились, и т. д. Знание начальных сценариев формирования Земли важны для понимания ее роли в возникновении жизни, а, следовательно, и ее биосферы.
Изучая химический состав пузырьков воздуха, извлеченных из древних пород Земли, ученые установили, что он состоял из азотно-аммиачно-углекислых компонентов.
Этот факт свидетельствует о том, что на первых этапах становления планеты в ее атмосфере отсутствовал кислород. Она была восстановительной. Если бы это было не так, то появляющиеся первые органические вещества сразу бы окислялись. Выяснено, что в лабораторных опытах получить органические соединения из неорганических элементов можно только при отсутствии кислорода. Кстати, не из-за агрессивности ли кислорода многие животные, в том числе и человек, не имеют его про запас (депо этого газа). Так, без пищи можно прожить много дней, без воды три дня, а без кислорода – минуты.
Правильно ли ученые составили представление о химическом составе первичной атмосферы?
Доказательством этому является тот факт, что в древних морских отложениях железных руд было обнаружено высокое содержание закисного железа (FeO) по отношению к окисному (Fe2O3). Если бы атмосфера была окислительной (содержащей кислород), то окисное железо не вымывалось бы в океан, а, следовательно, сохранялось в коре континентов.
Существуют убедительные доказательства того, что в становлении трех геосфер (атмосфера, гидро– и литосфера) основополагающую роль сыграл ряд совпавших между собой процессов:
1) разогретая планета;
2) бескислородная атмосфера;
3) активная вулканическая деятельность.
Особая роль в зарождении жизни на Земле принадлежит воде. Если рассмотреть химический состав живого вещества, можно убедиться в том, что среди многих ее веществ на первом месте по массе стоит вода (75 и более процентов). Высокое содержание воды в клетке – важнейшее условие ее деятельности. Уже этого факта достаточно для того, чтобы утверждать, что все живые организмы вышли из океана. Поэтому, например, не вызывает удивления тот хорошо известный факт, что соотношения основных химических компонентов в морской воде и в крови практически одинаковы.
В чем же уникальность воды?
Оказывается, что она может находиться в трех фазах – жидкой, твердой (лед) и газообразной (пар) – и является хорошим растворителем. Очень существенным моментом в функционировании океана является постоянство его солевого состава как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении.
Выше уже упоминалось о том, что основатель учения о биосфере В. И. Вернадский даже предлагал принять соотношение основных компонентов морской воды за константу нашей планеты, аналогично тому, как характерной константой вещества служит точка его плавления. Стабильность химического состава морской воды свидетельствует о том, что океан следует рассматривать как систему, способную сохранять постоянство своего внутреннего состояния – гомеостаз. Следовательно, гидросфера является саморегулирующейся системой, находящейся в относительно равновесном (стационарном) состоянии. При отклонении же ее параметров от таковых включаются механизмы, приводящие ее в первоначальное состояние. Это возможно при условии, что океан подчиняется принципу Ле-Шателье. Данная особенность океана, по-видимому, предопределила у живых организмов постоянство внутренней среды (плазма крови и др.), нарушение которой чревато самыми серьезными последствиями для его жизнедеятельности. Вот почему, даже будучи изолированными от океана, неузнаваемо меняясь по форме и содержанию в новой обстановке на протяжении миллионов лет, живые организмы не утратили химических особенностей морской воды.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
СКОЛЬКО НАС НА ЗЕМЛЕ?
Самая маленькая химическая фабрика
Подводная химическая лаборатория
Подводная химическая лаборатория Растения — это удивительная химическая лаборатория, из неживой природы создающая живую природу, или, как говорят ученые, биомассу. Двигателем, запускающим в ход все процессы в этой лаборатории, является свет нашей звезды — Солнца.
Глава 211. Абиогенная (химическая) эволюция (VIII)
Глава 211. Абиогенная (химическая) эволюция (VIII) Гипотезы о происхождении жизни на Земле исходят в основном из двух предположений. Это либо гипотеза панспермии (что многих не устраивает, поскольку, как они полагают, лишь отодвигает событие в прошлое и не решает задачу), либо
2.2.6. Физиотерапия, физико-химическая диагностика и лечение.
2.2.6. Физиотерапия, физико-химическая диагностика и лечение. Механические, тепловые и лучевые воздействия, а также электромагнитные поля способны вызывать существенные изменения в организме, влиять на активность его функциональных систем и формообразование. Характер
Глава 3. Происхождение жизни: химическая эволюция
Глава 3. Происхождение жизни: химическая эволюция Ничтожное ничто — начало всех начал. Теодор Рётке, "Вожделение" Теория химической эволюции — современная теория происхождения жизни — также опирается на идею самозарождения. Однако в основе ее лежит не внезапное (de novo)
Глава 211. Абиогенная (химическая) эволюция (VIII)
Глава 211. Абиогенная (химическая) эволюция (VIII) Гипотезы о происхождении жизни на Земле исходят в основном из двух предположений. Это либо гипотеза панспермии (что многих не устраивает, поскольку, как они полагают, она лишь отодвигает событие в прошлое и не решает
Химическая защита
Химическая защита За многие миллионы лет развития органической жизни на Земле в постоянной борьбе за существование у насекомых выработались химические способы защиты: ядовитое тело, ядовитые железы, ядовитые органы и т. д. Они так же многообразны, как и насекомые.Самый
Тяга к земле
Тяга к земле У меня, как, наверное, и у вас, есть такие знакомые. Они всю жизнь жили в городе, работали в главке, тресте, министерстве, имели дело с бумагами и людьми, любили эту работу. В отпуск ездили в санаторий, вечерами ходили в театр, читали, принимали гостей. Работать
ХИМИЧЕСКАЯ ЭКОЛОГИЯ
ХИМИЧЕСКАЯ ЭКОЛОГИЯ Потеющие и плохо пахнущие ноги — это вовсе не смертельно и даже не опасно для здоровья, но только если вы не живете в странах, где распространена малярия. Комаров — переносчиков малярии привлекает запах различных химических веществ, которые выделяет
Химическая теория
Процесс происхождения жизни на Земле теснейшим образом связан с историей возникновения и развития самой нашей планеты как части Солнечной системы.
Солнечная система зародилась в газовом облаке, находящемся в состоянии равновесия с собственным гравитационным полем. Такие облака называют протопланетными.
Полагают, что рядом с протопланетным облаком произошел взрыв
энергии. Ударная волна вызвала уплотнение материи в облаке,
термоядерные процессы и разогрев – так образовалось Солнце.
Периферическая часть протопланетного облака разделилась на
отдельные сгущенные тела – планетезимали , которые сталкивались,
увеличивались, у них появлялось свое гравитационное поле, что
ускоряло процесс роста планет и уплотнения вещества.
Рост Земли был медленным, полагают в течение 1 млрд. лет
Холодное космическое тело
Состав однородный
Нет тектонических процессов
Нет атмосферы и океанов
По мере формирования планеты ее недра разогревались в результате накопления тепла, из-за распада радиоактивных элементов и приливной энергии Луны, начались процессы плавления веществ и их гравитационная дифференциация: более тяжелые опускались вниз, а легкие поднимались вверх и образовывали земную кору.
Химическая эволюция в истории Земли
При разогревании недр Земли из ее внутренних зон на поверхность начали выделяться газовые компоненты: аммиак, углекислота, сероводород, водород. Взаимодействие газов приводило к образованию метана и воды, водяной пар окружил Землю сплошной пеленой облаков.
Кислород и азот в атмосфере
отсутствовал! Химические
реакции, идущие на Земле
поглощали свободный
Значение Луны
Луна вызвала на Земле сильные землетрясения. Что привело к образованию ядра и мантии
Луна активизировала тектонические процессы, раскрутила планету, определила своей орбитой наклон земной оси, что обусловило климатическую закономерность природных явлений Земли.
Насыщение водой земной коры, вызвало активное вымывание металлического железа из мантии. Около 600 млн. лет назад свободное железо исчезло из мантийного вещества. Поглощение свободного кислорода прекратилось и атмосфера обогатилась кислородом, в это время на Земле возникла многоклеточность и появилось царство Животных
Поговорим о происхождении жизни на Земле и химической эволюции. Без химических формул.
Глава первая, в которой мы предаемся шовинизму
Глава вторая, в которой мы встречаем первые трудности
Глава третья, в которой трудности нарастают
Другая проблема возникла по мере улучшения наших знаний о Венере, Марсе и о прошлом нашей собственной планеты. Оказалось, что сегодняшние атмосферы соседей близки по составу к атмосфере молодой Земли, которая, видимо, почти целиком состояла из углекислого газа. Серьезных количеств аммиака в ней не было, азот существовал лишь в форме чистого молекулярного газа (N2), а сера – как инертный оксид (SO2). Этот набор очень далек от того, что представляли себе Опарин, Холдейн и Миллер, и прежде всего тем, что не содержит вещества, подходящего на роль восстановителя (как аммиак, например), необходимого для фиксации углекислого газа и получения из него хотя бы простейшей органики.
Даже у бактерий геном насчитывает миллионы нуклеотидов, которые кодируют тысячи белков. Его работа требует сложной машинерии, необходимой для копирования ДНК и чтения ее для превращения в РНК, а затем и в белок с помощью хитроумно устроенных рибосом, и т. д. Все это окружено мембраной, пронизанной постоянно работающими белками, обеспечивающими избирательный транспорт веществ в клетку и из нее. Здесь мало лишних деталей: без каждой из них клетка жить неспособна. А главное, она неспособна жить без инструкций, которые содержит ДНК и которые реализуют белки. Сама по себе ДНК неспособна ни катализировать химические реакции, ни удваиваться. Это довольно инертное вещество, служащее лишь удобным носителем информации. С другой стороны, белки не размножаются и не могут выступать в этой роли. Еще одна философская проблема – курицы и яйца – только, кажется, совсем неразрешимая.
Глава четвертая, в которой появляется надежда на РНК
Удалось химикам и решить проблему с появлением всех четырех азотистых оснований. Если использовать не синильную кислоту, а другое довольно распространенное в космосе и несложное соединение – формамид, – то в отсутствие воды под действием ультрафиолета и на поверхности частиц оксида титана он даст все нужные основания. И если в нашей жизни такие условия выглядят экзотикой, то в космосе они встречаются не так уж и редко; диоксид титана то и дело улавливается в верхних слоях атмосферы, где нет воды, зато ультрафиолетового излучения предостаточно.
Чтобы азотистые основания, фосфат и рибоза образовали РНК, они должны объединиться в нуклеотиды, а те, в свою очередь, в достаточно длинные цепочки. Аденин сравнительно легко присоединяет рибозу, а затем и одну за другой три фосфатные группы. Видимо, по этой причине аденозинтрифосфат (АТФ) стал универсальной молекулой-носителем энергии: остальные азотистые основания не удавалось запустить по этому пути несколько десятилетий. Решить эту проблему получилось только в 2009 г., когда Джон Сазерленд из Манчестерского университета нашел изящную и сложную реакцию, на входе которой используются не сами основания и рибоза, а их предшественники – гликольальдегид, глицеральдегид, цианамид, и т. д., – а на выходе получаются нужные нуклеотиды. Уже через несколько лет было показано, что в присутствии L-аминокислот такая реакция дает преимущественно соединения с D-рибозой.
Такие реакции должны были происходить на юной Земле непрерывно: вряд ли такой нестабильный источник веществ, как астероиды или кометы, могли принести их в достаточном количестве, постоянно обновляя запасы. Для этого требуется восстанавливать углекислый газ до простейших соединений углерода, как это делают растения, используя воду и солнечный свет. Другой способ демонстрируют метаногенные микробы, которые вообще не терпят присутствия кислорода и используют восстановитель – сероводород, поступающий из-под земной коры с богатыми минералами и горячими водными растворами.
Как показали эксперименты, в этих условиях сероводород восстанавливает сульфид железа до пирита (FeS2), на поверхности которого удерживаются протоны, способные восстанавливать и азот до аммиака, и углекислоту до метилмеркаптана. Реализуются здесь и более сложные реакции, ведущие к появлению органических кислот и вообще целого спектра органики, более богатого, чем в реакциях Миллера.
Глава шестая, в которой образуется рибосома
В самом деле, хоть Энгельс и не был прав полностью, нам все-таки придется перейти к белкам, без которых не существует ни одна известная нам форма настоящей жизни. Сегодня синтез белка из отдельных аминокислот обеспечивается сложным молекулярным комплексом, рибосомой, а также примерно 40 транспортными РНК. Каждая из них доставляет определенную аминокислоту и присоединяется к определенной последовательности из трех нуклеотидов на матричной РНК. Реакции соединения аминокислот в белковую цепочку проводят рибосомы, которые включают в себя несколько десятков белков и три молекулы РНК.
Такой рибозим способен синтезировать белковые цепочки из отдельных аминокислот – неловко, неточно, не слишком быстро, особенно в сравнении с современными сложными биохимическими системами, которые отточены миллиардами лет эволюции, – но все-таки способен. Он мог походить на домен V рибосомной РНК и даже не использовать матрицу, синтезируя случайные пептидные цепочки. Лишь затем он научился связывать матричную и транспортные РНК. Но как это могло помогать самому рибозиму выжить и вытеснить конкурентов – даже тех, что катализировали появление собственных копий?
Глава седьмая, про генетический код
Тут нам придется вспомнить, что РНК не является таким удачным носителем информации, как ДНК – и прежде всего за счет своей довольно высокой химической лабильности. Ее больное место – та самая гидроксильная (2′) группа рибозы, которой нет у дезоксирибозы ДНК. Предполагается, что некоторые белки могли связываться с РНК, закрывая – и защищая – опасный участок. Альфа-спираль, весьма обычная для белков структура, отлично для этого подходит. Остается, чтобы среди матричных РНК, кодирующих защитные белки, нашлись и другие, которые кодирут белки, расщепляющие другие РНК и поставляющие новые нуклеотиды, и третьи, для копирования самих РНК – дело у нас почти в шляпе.
Начинается размножение, изменчивость и отбор – гонка вооружений, которая зовется эволюцией. В этой системе генетическое кодирование обеспечивают молекулы транспортных РНК, которые связывают тройки соседних нуклеотидов (кодоны) с той или иной аминокислотой. Считается, что эта связь появилась более или менее случайно и, например, тройка аденин – урацил – урацил соответствует аминокислоте изолейцину.
С другой стороны, определенные закономерности в этом коде можно найти: скажем, изолейцин кодируют также кодоны аденин – урацил – цитозин и аденин – урацил – аденин, структурно довольно близкие и оставляющие пространство для ошибок. Даже при не очень точном связывании каждого отдельного нуклеотида близкие тройки обеспечивают появление нужной аминокислоты с достаточной точностью. У нас получился минимальный набор: матричные РНК белков для копирования РНК, прото-рибосомные РНК для синтеза белков и транспортные РНК.
Глава восьмая, где жизнь помещается в клетку и получает ДНК
Правда, до жизни мы еще не добрались: нам нужна клетка, а клетку делает мембрана, которая ограничивает ее от внешнего мира и обеспечивает контролируемый обмен веществ. Ограничившись мембраной, жизнь обрела форму и смогла объединять и накапливать внутри нужные молекулы РНК и вести синтез белков, покинуть плоскость сернистых отложений и перейти к трехмерному существованию в форме пузырьков в жидкости, расселяться и осваивать новое пространство.
Глава девятая, последняя, но не последняя
С этого момента мы можем говорить уже о биологической эволюции в полном смысле этого слова. По мере того как атмосфера остывала и становилась менее плотной, протоорганизмы вовсю столкнулись с проблемой истощения старых запасов минеральных отложений. Одни из них ушли в изолированные, труднодоступные участки, став предками современных архей, до сих пор населяющих черные курильщики или гейзеры.
Другие жили повыше и научились защищаться от солнечного ультрафиолета пигментами, а затем смогли использовать эти пигменты для фотосинтеза, став окончательно независимыми от своей геотермальной прародины. Им понадобилось развить системы транспорта минералов в клетку и из нее. Они слились с другими бактериями, которые освоили эффективный синтез АТФ из глюкозы и впоследствии стали митохондриями.
Теория абиогенной молекулярной эволюции жизни из неорганических веществ была создана русским учёным А. И. Опариным (1924) и английским учёным Дж. Холдейном (1929). По мнению естествоведов, Земля появилась примерно 4,5—7 млрд лет назад. Вначале Земля представляла собой пылевидное облако, температура которого колебалась в пределах 4000—8000°С. Постепенно в процессе охлаждения тяжёлые элементы начали располагаться в центре нашей планеты, а более лёгкие — по периферии.
Предполагается, что самые простые живые организмы на Земле появились 3,5 млрд лет назад. Жизнь есть результат сначала химической, а затем биологической эволюции.
Рис. 56. Возникновение жизни на Земле: 1 — первичная атмосфера; 2 — образование органических веществ; 3 — образование коацерватов; 4 — простое брожени.
Условия возникновения жизни
По утверждению Дарвина, жизнь может зародиться только в условиях её отсутствия. Вновь образовавшиеся органические вещества немедленно уничтожаются гетеротрофными микроорганизмами. Именно поэтому в настоящее время невозможно самозарождение жизни.
Вторым необходимым условием зарождения жизни на Земле является отсутствие кислорода в первичной атмосфере, так как наличие кислорода привело бы к расщеплению вновь образующихся органических веществ.
Этапы возникновения жизни
Основными этапами биохимической эволюции жизни считаются следующие.
- Образование простых органических веществ в результате химических реакций.
- Образование полимеров типа полипептидов и полинуклеотидов из мономеров.
- Образование коацерватов путём концентрации высокомолекулярных соединений.
- Образование элементарных мембран, окружающих коацерваты.
- Возникновение процесса обмена веществ.
- Возникновение процессов самовоспроизведения на основе матричного синтеза (рис. 59).
Химическая эволюция
Первые органические вещества
Водород, азот, углерод, кислород, которые содержались в первичной атмосфере Земли, вступали в реакции взаимодействия и при этом образовывали такие простые органические соединения, как аммиак, метан, оксиды углерода, сероводород и водяные пары (рис. 56). Свободный кислород, бывший вначале в очень малых количествах, полностью вошёл в состав соединений. Биологические мономеры синтезировались абиогенным путём. В результате охлаждения Земли возникли первичные океаны. За счёт кислорода, который содержался в молекулах воды, происходило окисление простых органических веществ и образовались спирты, альдегиды, аминокислоты, и первичный океан все более и более насыщался сложными органическими веществами.
Генетическая гипотеза (РНК мир)
Однако было неизвестно, что в ходе биохимической эволюции жизни возникло прежде: белки или нуклеиновые кислоты. Согласно теории А. И. Опарина, первыми появились молекулы белка. Сторонники генетической гипотезы, наоборот, считали, что сначала возникли нуклеиновые кислоты. Такое предположение было выдвинуто в 1929 г. Г. Миллером. Лабораторные исследования доказали возможность репликации нуклеиновых кислот и без воздействия ферментов. По мнению учёных, первичные рибосомы состояли только из РНК, и свойство синтезировать белок у них могло появиться впоследствии. Позже были получены новые данные, подтверждающие это предположение. Репликация рибонуклеиновой кислоты без участия ферментов, обратная транскрипция, т. е. возможность синтеза ДНК на основе РНК — все это является доказательством генетической гипотезы.
Читайте также: