Катархей (от греч. «ниже древнейшего») — эра, когда была безжизненная Земля, окутанная ядовитой для живых существ атмосферой, лишенной кислорода; гремели вулканические извержения, сверкали молнии, жесткое ультрафиолетовое излучение пронизывало атмосферу и верхние слои воды. Под влиянием этих явлений из окутавшей Землю смеси паров сероводорода, аммиака, угарного газа начинают синтезироваться первые органические соединения, возникают свойства, характерные для жизни.
Такая картина эры катархея (около 5 — 3,5 млрд. лет назад) предстает из современных исследований. Но выдвигаются и другие гипотезы. Вернадский, например, считал, что биосфера геологически вечна, т.е. что жизнь на Земле существует столько же времени, сколько и сама Земля как планета. Но все-таки, исходная гипотеза современной теории происхождения жизни — абиогенез — идея о происхождении живого из неживого. (По материалам сайта КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ http://nrc.edu.ru/est/)
Теория происхождения протобионтов.
Живое неотделимо от неживого, оно связано с неживой природой общностью химического состава, так как в организмах имеются почти все элементы периодической системы Менделеева, среди которых особая роль принадлежит углероду. Он обнаруживается в спектрах всех классов звезд, а с понижением температуры на космических телах появляются соединения углерода с водородом (СН, СН4 и др.) и азотом (CN). Углерод — основа построения всех органических соединений: белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот, пигментов, витаминов. Разнообразие свойств углерода сообщает его соединениям то громадное многообразие, которое лежит в основе живого. Предыстория и история жизни—это эволюция углеродистых соединений, которая закономерно завершилась зарождением жизни на Земле.
Гигантское газово-пылевое космическое облако, из которого возникла Солнечная система и ее планеты, было насыщено газообразными и твердыми соединениями углерода. Космические пылинки включали также железо с примесью никеля, силикаты, кобальт и замерзшую воду. Возникшая из них Земля по мере возрастания гравитационных сил и под влиянием радиоактивного распада элементов подверглась вторичному разогреву, что явилось причиной утраты ею более легких элементов, насыщения атмосферы парами воды и образования первичного океана. На отдельные элементы и их простейшие соединения в атмосфере Земли, на ее поверхности и в гидросфере воздействовали космические лучи, электрические (грозовые) разряды, давление толщи воды, в связи с чем элементы и их соединения претерпевали разнообразные химические превращения. До возникновения жизни атмосфера Земли носила восстановленный характер: весь кислород был в связанном состоянии, входя в состав воды, диоксида и оксида углерода и др.; в ней содержались также аммиак (1МНз), метан (СНО, водород (Н), цианистое соединение (CN) и замерзшая, кристаллическая вода.
В недрах Земли было много карбидов — соединений углерода с железом, никелем, кобальтом, которые при вулканических извержениях выделялись на поверхность и вступали во взаимодействие с водой. В результате этого в первичном океане накапливались разнообразные углеводороды и другие сочетания элементов, ставшие исходным материалом, эволюция которого завершилась возникновением жизни на Земле.
Согласно общепринятой теории акад. А. И. Опарина неживая материя прошла следующие исторические этапы на пути возникновения жизни. Первоначально происходило накопление простейших углеводородов, затем образовались сложные белковоподобные, нуклеиноподобные и многие другие органические соединения и, наконец, возникли простейшие формы живого, обладавшие свойством обмена веществ, самосохранения и самовоспроизведения.
Согласно этим представлениям первоначальный запас углеводородов непрерывно пополнялся их образованием путем взаимодействия карбидов с оксидами горных пород, аморфного углерода, углерода графита с водородом. Водород выделялся также из воды в результате распада ее молекул при действии ультрафиолетовых лучей Солнца. Насыщенная углеводородами земная атмосфера почти зеркально “отражалась” в составе первичного океана Земли, в котором эти вещества накапливались, увлекаемые ливнями. Концентрация углеводородов и других простейших органических соединений в первичном океане нарастала также “снизу” — из земных пород и продуктов вулканической деятельности.
Всевозможные взаимодействия и превращения веществ приводили к накоплению многообразных соединений углеводородов и их производных. Такие усложнения веществ не таили в себе ничего сверхъестественного: они протекали в соответствии с законами астрофизики и химии. Это подтверждено многочисленными экспериментами, в которых смоделированы условия первичной земной атмосферы. Так, С. Миллер в изолированном приборе из смеси метана, аммиака, водорода и паров воды, которые подвергались действию слабых электрических разрядов, синтезировал аминокислоты (т. е. те исходные “единицы”, из которых строятся молекулы белков), а также спирты, сахара, альдегиды и др. Аналогичные опыты проведены во многих лабораториях мира, в том числе в России.
Изучая вопрос о путях превращения простейших соединений углерода и азота, таких, как СН, CN, CS, СН, Н2СОз, HCN, СНзОН и др., в более сложные, многие исследователи основную роль в этом процессе отводят воздействию ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца, считая его главным энергетическим фактором в ускорении химических реакций на древней Земле. По оценке упомянутого С. Миллера, на долю УФ-излучения Солнца приходилось более 2640 кДж на 1 см2 в год и лишь 16 кДж/см2 в год за счет электрических разрядов в атмосфере. Массивный, ничем не задерживаемый поток УФ-излучения Солнца сильно активировал многие химические реакции в атмосфере и гидросфере Земли (в то отдаленное время в атмосфере Земли еще не было слоя озона, который образовался позже и задерживал большую часть УФ-излучения). Способность УФ-излучения ускорять синтез сложных органических соединений, включая аминокислоты, впервые доказали отечественные исследователи А. П. Терентьев, Т. Е. Павловская и А. Г. Пасынский (1959).
За последние десятилетия искусственно синтезированы исходные “единицы” нуклеиновых кислот — азотистые основания, а также аденозинтрифосфат, используемый в живых организмах как высокоэнергетическое, вещество. Результаты этих и многих других экспериментов помогают наглядно представить условия и процессы, происходившие в далеком прошлом на Земле, когда в ее недрах, на поверхности, в воде и атмосфере возникали и накапливались почти все соединения, которые в настоящее время обнаруживаются в составе живых организмов. С возникновением этих веществ как бы завершилась предыстория жизни.
На последующих этапах развития материи в местах наибольшей концентрации органического вещества между отдельными молекулами складывался простейший обмен веществ, шло объединение разрозненных молекул и образование их комплексов. Такие “сообщества” молекул, называемые коацерватами, отграничивались от окружающего раствора при помощи жироподобных пленок, которые явились прообразом мембран. Благодаря этому коацерваты приобретали индивидуальность и устойчивость, а тесное взаиморасположение молекул в них способствовало возникновению регулярного и целенаправленного обмена веществ, обеспечивающего устойчивость и самосохранение отдельных коацерватов. На этой стадии мог действовать элементарный отбор: сохранялись наиболее устойчивые коацерваты, в которых уже происходило взаимодействие молекул. Такие системы поглощали из окружающего раствора разнообразные вещества и могли расти, а по достижении определенных размеров распадаться на более мелкие капельки. Те из них, в которых взаиморасположение молекул содействовало устойчивости обменных реакций, сохранялись, в них повторялась исходная направленность обмена веществ, рост и снова распад — прообраз размножения. Элементарное “размножение” в таких системах коацерватов постепенно приобретало регулярность, а возникшие “потомки” становились все более точными копиями материнских.
Отбор и выживание таких все более упорядоченных систем, обладавших самообновлением, самосохранением и самовоспроизведением, завершили последний этап химической эволюции материи: на Земле возникла доклеточная живая система. Полагают, что это произошло более 3 млрд. лет тому назад, следовательно, добиологическая эволюция на Земле продолжалась не менее 2 млрд. лет, а с момента зарождения жизни шло ее непрерывное усложнение, появлялись качественно различные уровни — от предклеточных форм до клеток, от колониальной ассоциации их до многоклеточных организмов от жизни в избранных участках до всеобщего расселения в воде почве, атмосфере.
В познании сущности жизни и в решении проблемы ее возникновения еще много неясного, однако синтез ряда ферментов, некоторых гормонов и некоторых природных генов создает предпосылки лабораторного воспроизведения ее простейших форм.
ТАБЛИЦА (Т.Л. Богданова. Биология. Задания и упражнения. Пособие для поступающих в ВУЗы. М.,1991)
| Стадия истории Земли |
Возраст | Физико-химические условия | Процессы, происходящие на Земле |
| Звездная | Более 6 млрд. лет | Поверхность Земли раскалена до 1000° С. элементы находятся в виде атомов | Вследствие вращательного движения при постепенном снижении температуры атомы тяжелых металлов перемещались к центру, а на поверхности остались атомы легких элементов (N, Н, С, 0); при их взаимодействии выделялось много газов, поднимавшихся вверх |
| Планетарная | От 3,5 ДО 6 млрд. лет |
Первичная атмосфера | Газы образовали первичную атмосферу. Появились химические соединения: Н20 в виде водяного пара, NН4,NНз, Н2, СO2, СО |
| Первичный океан | С охлаждением планеты ниже 100° С началась конденсация водяных паров. На Землю полились горячие ливни, что привело к образованию больших водоемов. Возникали частые грозы; из недр извергались карбиды (соединения металла с углеродом). В горячей воде они растворялись и образовывали углеводы, там же растворялись газы, соли, которые вступали в химические взаимодействия |