Вопрос о происхождении жизни – один из самых трудных в современном естествознании. В первую очередь потому, что мы сегодня не можем воспроизвести процессы возникновения жизни такими, какими они были миллиарды лет назад. Ведь даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь моделью, приближением, безусловно лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на земле. И тем не менее наука успешно решает вопрос о происхождении живого, проводит многочисленные исследования, постоянно расширяет наши представления о зарождении жизни. Это вполне понятно: проблема жизни лежит в фундаменте всех биологических наук и в значительной мере – всего естествознания.

Существенный вклад в решение вопроса о происхождении жизни внесли академик АН СССР биохимик А.И. Опарин (1894–1980), английские естествоиспытатели Дж. Бернал (1901–1971) и Б.С. Холдейн (1892–1964) и многие другие ученые.

История жизни и история Земли неотделимы друг от друга. Именно в процессах развития нашей планеты закладывались условия будущего существования жизни – диапазоны температур, влажности, давления, уровня радиации и т. п. Например, диапазон температур, в котором существует известная нам активная жизнь, составляет довольно узкую полосу (см. рис. 7.8).

Одна из гипотез о происхождении Земли и всей Солнечной системы, как уже отмечалось, заключается в том, что наша Земля и все планеты сконденсировались из космической пыли, располагавшейся в окрестностях Солнца. Скорее всего, частицы пыли состояли из железа с примесью никеля либо из силикатов (веществ, в состав которых входит широко распространенный на Земле кремний), например силикатов магния, и каждая частица была окружена льдом. Конечно, кроме пыли везде присутствовал газ. И газ, и частицы пыли пронизывались солнечной радиацией. При этом весьма вероятно, что на внешних участках Солнечной системы газы могли конденсироваться, образуя различные летучие органические соединения, в которых присутствует основной элемент всех живых организмов – углерод. Постепенно Солнце разогревало их, газы снова испарялись, но некоторая их часть под действием излучений превращалась в менее летучие углеводороды (соединения углерода с водородом) и соединения азота.

Возможно, что именно пылевые частицы, окруженные оболочками из органических соединений, объединяясь, образовали сначала астероиды, а затем планеты. Известно, например, что гиганты  Солнечной системы – Юпитер, Сатурн, Уран – состоят в основном из метана, водорода, аммиака и льда – веществ, служащих основой всех сложнейших органических соединений.

В то же время общая поверхность пылинок была очень велика. А это значит, что на ней могли образоваться различные соединения углерода и азота – прямых предшественников жизни.

Данное предположение доказывается тем, что ряд органических соединений найден в метеоритах, например аденин – биологически очень важное азотистое основание. Он был искусственно получен в лаборатории при условиях, которые имитировали первичную атмосферу Земли. А, скажем, органические соединения, играющие большую роль в обмене веществ живых организмов, – щавелевую, муравьиную и янтарную кислоты удалось искусственно получить при облучении водных растворов углекислоты.

Первичная атмосфера Земли, как и других планет, содержала, очевидно, метан, аммиак, водяной пар и водород. Воздействуя в лаборатории на смесь этих газов электрическими разрядами, имитирующими молнию, и ультрафиолетовым излучением, ученые получили сложные органические вещества, входящие в состав живых белков, – глицин, аланин и др.

Таким образом, сейчас не приходится сомневаться в том, что под воздействием электрических разрядов, световой и ультрафиолетовой радиации еще до образования Земли или на самой первой стадии ее существования из неорганических соединений мог возникнуть ряд довольно сложных органических веществ. Образовавшиеся органические вещества – это первый шаг на пути к жизни.

Какие же элементы являются основными слагаемыми живого, его «кирпичиками»? Это в первую очередь кислород, углерод, водород и азот. Их принято называть органогенами. В живой клетке, например, по массе содержится около 70% кислорода, 17% углерода, 10% водорода, 3% азота, затем идут фосфор, калий, хлор, сера, кальций, натрий, магний, железо. Их количество в клетке не превышает десятых долей процента. Далее следуют медь, цинк, йод, фтор и другие элементы, присутствующие в тысячных и десятитысячных долях процента.

Особая роль в живых организмах принадлежит углероду. Говорят, что жизнь на нашей планете «углеродная», потому что в основе всех органических соединений и веществ организмов лежит углерод.

Углеродные соединения обладают рядом свойств, делающих их незаменимыми при образовании живых систем. Прежде всего, число органических соединений на основе углерода огромно – десятки миллионов. Они активны при сравнительно невысокой температуре. Атомы углерода в молекулах могут образовывать длинные цепи различной формы. При относительно небольшой перестройке молекул углеродных соединений существенно меняется их химическая активность, которая возрастает при наличии катализаторов.

Все элементы живого принадлежат к наиболее устойчивым и распространенным по Вселенной веществам. Они легко соединяются между собой и обладают малой атомной массой. Соединения, образованные такими элементами, должны легко растворяться в воде. Таким свойством обладают, например, соединения калия и натрия и др.

Наша планета богата водой. Она расположена на таком расстоянии от Солнца, что необходимая для жизни основная масса воды находится в жидком, а не в твердом или газообразном состоянии, как на других планетах. На Земле поддерживается оптимальный интервал температур, необходимый для зарождения и существования жизни.

Является ли Земля тем единственным космическим телом, на котором возможна жизнь? По-видимому, нет. Ведь только в нашей Галактике примерно 150 млрд звезд. Вполне вероятно, что в ней существуют космические тела, на которых возможна жизнь.

Первый шаг на пути к возникновению жизни заключается в образовании органических веществ из неорганического космического сырья. Такой процесс протекал при определенных температуре, давлении, влажности, радиации и т. д. На первый стадии данного процесса, вероятно, начал действовать предварительный отбор тех соединений, из которых позднее появились организмы. Из множества образовавшихся веществ сохранились лишь наиболее устойчивые и способные к дальнейшему усложнению.

Для построения любого сложного органического соединения живых организмов нужен небольшой набор слагающих блоков – мономеров (низкомолекулярных соединений). Например, имея всего 29 сравнительно несложных мономеров, можно описать биохимическое строение любого живого организма. В число их входят 20 аминокислот, из которых построены все белки, 5 азотистых оснований (из них в комбинации с другими веществами образуются носители наследственности – нуклеиновые кислоты), а также глюкоза – важнейший источник энергии, необходимый для жизнедеятельности, жиры (структурный материал, идущий на построение в клетке мембран и запасающий энергию).

Такое сравнительно небольшое число соединений – результат действия в течение почти миллиарда лет естественного отбора, выделившего их из огромного количества некогда возникших веществ и определившего их пригодность для возникновения живого. Можно сказать, что эволюции организмов предшествовала очень длительная химическая эволюция.

Соединения, возникшие на основе углерода, образовали «первичный бульон» гидросферы. Существует научная гипотеза, согласно которой содержащие углерод и азот вещества возникали в расплавленных глубинах Земли и выносились на поверхность при вулканической деятельности. Размываясь водой, они могли попасть в океан, где участвовали в образовании «первичного бульона».

Второй важнейший шаг в образовании живых организмов заключался в том, что из множества отдельных молекул органических веществ, существовавших в первичном океане Земли, возникли упорядоченные сложные вещества – биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты. Они уже обладали важнейшим биологическим свойством – воспроизводить аналогичные себе молекулы.

Каким же образом осуществлялось формирование биополимеров? В рассматриваемый период все органические соединения находились в первичном океане Земли. Для того чтобы между соединениями могли произойти реакции, ведущие к образованию сложных биологически важных молекул, концентрация органических соединений должна была быть сравнительно высокой. Такая концентрация веществ могла образоваться в результате осаждения соединений на различных минеральных частицах, например, на частичках глины или гидроокиси железа, образующих ил прогреваемого солнцем мелководья. Органические вещества могли образовать на поверхности океана тонкую пленку, которую ветер и волны гнали к берегу, где они собирались в толстые слои с высокой концентрацией органических веществ.

Свободный кислород появился значительно позже в результате деятельности первых фотосинтетиков – водорослей, а затем и наземных растений. Бескислородная среда облегчала, по-видимому, синтез биополимеров из неорганических соединений – кислород как сильный окислитель разрушил бы возникающие молекулы.

Отдельные несложные органические соединения стали объединяться в крупные биологические молекулы. Образовались ферменты – белковые катализаторы, способствующие возникновению или распаду молекул. В результате деятельности первичных ферментов возникли одни из важнейших органических соединений – нуклеиновые кислоты. Мономеры в нуклеиновых кислотах расположены так, что несут определенную информацию о синтезе белков и обмене с внешней средой веществом и энергией. Кроме того, молекулы нуклеиновых кислот приобрели свойство самовоспроизведения себе подобных. Можно считать, что с этого момента на Земле возникла жизнь.

Жизнь – это особая форма существования материи. Характерные особенности жизни – обмен с внешней средой, воспроизведение себе подобных, постоянное развитие.

К концу биохимической стадии возникновения жизни появились структурные образования – мембраны, которые сыграли важную роль в построении клеток. Как уже отмечалось, первые организмы на Земле были одноклеточные прокариоты. Проходили сотни миллионов, даже миллиарды лет, в течение которых из прокариотов образовывались эукариоты, в их клетке сформировались ядро с веществом, содержащим код синтеза белка, ядрышко, находящееся в ядре, и другие структурные элементы (рис. 7.9).

С появлением эукариотов наметился выбор растительного или животного образа жизни, различие между которыми заключается в способе питания и связано с возникновением важнейшего для всего живого процесса – фотосинтеза. В результате фотосинтеза ежегодно на Земле образуется около 200 млрд т органического вещества, 90% которого вырабатывают водоросли и только 10%– наземные растения.

Возникновение фотосинтеза сопровождалось поступлением в атмосферу кислорода. Подсчитано, что благодаря фотосинтезу вся углекислота планеты – и в атмосфере и растворенная в воде – обновляется примерно за 300 лет, а весь кислород – за 2 тыс. лет. Предполагается, что теперешнее содержание кислорода в атмосфере (21%) было достигнуто 250 млн лет назад в результате интенсивного развития растений.

Первые многоклеточные организмы возникли путем объединения одноклеточных организмов и прошли долгий путь эволюции. Так жизнь развивалась и совершенствовалась, о чем свидетельствует палеонтологическая летопись, окаменевшие страницы которой постепенно прочитываются учеными.