Современные представления о возникновении жизни на Земле

Несколько иначе химический этап становления биосферы рисует Э.М. Галимов (2001). Прежде всего, в его гипотезе накопление на поверхности Земли и в первичной атмосфере азота, воды и соединений углерода связывается с интенсивным осаждением здесь метеоритного вещества (углистых хондритов). Расчеты показали, что масса органического углерода, поступавшего на Землю с метеоритами и образовывавшегося при метеоритных бомбардировках, могла составлять около 1012 г/год, а первичный океан в этот период представлял «разрозненную цепь отдельных водоемов».

В первичном бульоне были широко распространены разнонаправленные реакции синтеза (понижение энтропии) и распада (повышение энтропии) органических молекул, в том числе фотохимические и с участием катализаторов, конечные продукты которых могли служить исходными реагентами для противоположных реакций. На основе микроскопического химического сопряжения образуются химические циклы и каскады – равновесные химические системы с постоянной энтропией. При непрерывном доступе (электромагнитной) энергии в область прохождения реакций происходит переход равновесной системы в стационарную систему, способную к производству низкоэнтропийного продукта, то есть к упорядочению. Вовлечение низкоэнтропийного продукта в какой-либо последующий процесс вызывает компенсирующее его воспроизводство системой и формирование еще более низкоэнтропийного продукта и т.д. Переход от микроскопической упорядоченности к макроскопической осуществляется через «итерации» (повторения, воспроизводство) до макроскопически заметного количества. Итерации реализуются через катализ (в том числе автокатализ) и репликацию.

В этот начальный период синтезируются самые разнообразные группы органических молекул, включая аминокислоты, сахара, жирные кислоты и основания, простейшие полимеры. В этой связи обсуждались различные сценарии «химического этапа», получившие названия «мир белков», «сахарная модель», «мир липидов», «мир РНК». По мнению Э.М. Галимова, на роль молекулы, образующейся в ходе микроскопического химического сопряжения, обладающей способностью к организации стационарной расширяющейся микроскопической системы и, одновременно, обладающей свойствами необходимыми для обеспечения перехода к макроскопической стационарной расширяющейся химической системе может претендовать только молекула близкая к аденозинтрифосфату. Аденин легче других нуклеотидов образуется при полимеризации молекул HCN (в эксперименте – из исходного соединения NH₄CN), а рибоза – при последовательной конденсации формальдегида (HCOH). Аденин, обладая выраженными электродонорными и электроакцепторными свойствами, легко соединяется с другими молекулами, в том числе и с рибозой, а комплекс, в свою очередь способен связываться с фосфатными группами. Молекула близкая к АТФ должна была обеспечить реакции полимеризации, прежде всего, образование полинуклеотидов и полипептидов.

На следующем этапе центральное функциональное место в химических системах занимают молекулы РНК. С ними связывается становление генетического кода – основного механизма итерации при переходе к макроскопическим химическим системам, представляющим многофазные истинные и коллоидные растворы органических веществ. Саморазвивающаяся химическая система полностью основывается на разнонаправленности вещественно-энергетических процессов, лежащих вблизи химического равновесия, но смещенных от него, непрерывном притоке «усваиваемой» энергии и способности устойчиво неравновесной системы к производству упорядоченности.

Обсуждая вероятные «сценарии» происхождения жизни на Земле, нельзя не коснуться и обобщений, проведенных в самом конце XX века И.А. Резановым. Поводом к ним послужило обнаружение в метеоритах (углистых хондритах) окаменевших останков бактерий. Подобные метеориты в Солнечной системе образуют пояс астероидов – обломки разрушившейся около 4 млрд. лет назад планеты, получившей название Фаэтон.

Имеющиеся в распоряжении специалистов данные позволяют предполагать значительное сходство начальных этапов формирования Земли и Фаэтона и условий на их поверхности в период 4,6-4 млрд. лет назад. Первичная высокоплотная водородная атмосфера экранировала солнечное излучение и обуславливала давление на поверхности этих планет до 10 тыс. атм., а температуры - до 300-400°С. Одновременно обширные излияния базальтовой магмы поставляли на поверхность в огромных количествах вулканические газы (H₂O, CO, CO₂, NH₃, CH₄, HCl). В таких условиях очень интенсивно образуются и накапливаются углеродсодержащие соединения. В углистых хондритах их содержание достигает нескольких процентов по массе. Даже частичное воспроизведение (170°С, 1 атм.) подобных условий позволило С. Фоксу и его коллегам получать из сухой смеси аминокислот полимерные цепочки, содержащие до 23 мономеров. Промывка их горячей смеси водой приводила к образованию микросфер, реагирующих на изменение осмотического давления.

Простейшие химические системы, образованные органическими молекулами, способны, в ряде случаев, противодействовать перегреву включением эндотермических реакций. Предполагается, что одной из таких реакций могла быть реакция, приводящая в одно и то же время к образованию и формальдегида (исходное вещество для синтеза рибозы) и кислорода (его продукция сильнее других окислительно-восстановительных реакций понижает температуру) (2H₂+2CO₂→2CH₂O+O₂). Вероятно, некоторые уже синтезированные протобелки служили катализаторами данного процесса. На этом этапе могли сформироваться универсальный энергетический посредник – аденозинтрифосфат (АТФ) и механизм повторного синтеза протобелков-катализаторов после их разрушения в виде комплементарной авторепродукции. Совершенствование последнего завершилось возникновением генетического кода.

В соответствии с рассматриваемой гипотезой бактериальная жизнь на основе термосинтеза появилась на Земле уже через 100 млн. лет после ее образования. Все древнейшие осадочные породы, графит и даже кварциты образовались при участии бактерий и в них часто обнаруживаются формы, не укладывающиеся в современные классификации. Концентрация и мощность различных биогенных соединений, сопутствующих друг другу, свидетельствуют о сгущениях разнообразных форм жизни в первичной биосфере. Из горных пород выделены цианобактерии, перидинеи, жгутиконосцы и, даже, многоклеточные прокариоты.

После исчезновения водородной атмосферы биогенное осадконакопление почти прекратилось, в горных породах того времени останков бактериальных клеток мало, а разнообразие их резко снижено. В период 4,1-3,5 млрд. лет назад происходила смена термоавтотрофной жизни на фотоавтотрофную. Другие гипотезы связывают возникновение жизни на Земле именно с этим периодом.