22. Начало органической эволюции

Определения и обозначения

Абиогенез — возникновение органических веществ и первых живых систем из неживой материи. Речь идёт о предполагаемых процессах на ранней Земле, а не о регулярном появлении организмов из неживого вещества сейчас. Это различие помогает не смешивать гипотезу о происхождении жизни с опровергнутым представлением о самозарождении современных организмов.

Биохимическая эволюция — постепенное образование и усложнение органических веществ и предшественников клеток на ранней Земле. Слово «эволюция» здесь обозначает последовательные изменения химических систем до появления жизни. Понятие нужно, чтобы описывать не одно мгновенное событие, а длительный путь от простых соединений к структурам, способным стать клетками.

Коацерват — капля, образованная скоплением органических молекул в воде. Она могла поглощать вещества из окружающей среды и увеличиваться, но это ещё не делало её организмом. Понятие помогает представить, как молекулы могли собираться в обособленные системы, не приписывая им признаков полноценной клетки.

Пробионт — предполагаемая предшественница первой клетки, обладавшая некоторыми свойствами живого, например обособленностью и обменом веществ. Пробионт не обязательно был устроен так же, как современные клетки. Это понятие обозначает промежуточное звено между скоплениями молекул и организмами, способными к воспроизведению и передаче наследственной информации.

Как это устроено

Абиогенез относят к ранней Земле, потому что её условия заметно отличались от современных: состав атмосферы, доступные источники энергии и состояние окружающей среды были иными. Они могли создавать условия для химических реакций, которые сейчас не приводят к появлению организмов. В современной природе уже существуют организмы, потребляющие и разрушающие органические вещества, поэтому накоплению новых соединений мешают биологические процессы. Следовательно, гипотеза касается особого этапа истории планеты, а не самозарождения жизни в наши дни.

Простые органические соединения могли образовываться, если исходные вещества вступали в реакции под действием энергии. Её источниками могли служить солнечное излучение, электрические разряды и тепло, а вода — обеспечивать среду, в которой вещества перемещались и взаимодействовали. Состав ранней атмосферы влиял на то, какие реакции были возможны и какие продукты могли появляться. Так объясняют возможный абиотический синтез — образование соединений без участия организмов, хотя точный состав атмосферы и условия остаются предметом исследований.

Простые соединения могли вступать в новые реакции и образовывать более крупные, сложные молекулы. Вероятность таких превращений зависела от условий среды и доступности исходных веществ, поэтому речь идёт не о единственном мгновенном скачке. По мере усложнения молекул могли возникать их скопления, отделённые от окружающей воды границей или зоной повышенной концентрации. Такая обособленность помогала веществам взаимодействовать внутри скопления, но сама по себе ещё не создавала живую систему.

Коацерватные капли рассматривают как возможных предшественников пробионтов, потому что они могли поглощать вещества и увеличиваться. Внутри капли реакции могли протекать иначе, чем в окружающей среде, а значит, некоторые процессы могли становиться более согласованными. Однако коацерват не имел полного набора клеточных структур и признаков живого. В частности, рост капли не равен воспроизведению: увеличение размера ещё не обеспечивает точного копирования и передачи свойств потомству.

Переход к первым клеткам связывают с появлением систем, которые могли поддерживать обмен веществ и воспроизводить собственные компоненты. Если при этом возникла наследственность — передача особенностей от одной системы к другой, — изменения могли сохраняться и накапливаться. Воспроизведение создавало несколько вариантов систем, а различия между ними могли влиять на выживание и дальнейшее размножение. Так химическая эволюция могла перейти в биологическую, хотя подробная последовательность этих событий пока не восстановлена полностью.

Этапы предполагаемого возникновения жизни

Таблица показывает предполагаемый порядок событий и помогает отделить достигнутый результат каждого этапа от того, чего ещё не существовало. Читайте её сверху вниз: каждый следующий этап опирается на предыдущий, но не обязательно происходил именно в описанной форме. Особенно важно смотреть на последний столбец: наличие органических веществ или обособленной капли само по себе не означает, что жизнь уже возникла.

Разбор задач

Задача 1

Расположите события в порядке предполагаемого происхождения жизни: появление коацерватов, образование простых органических веществ, возникновение первых клеток, усложнение органических молекул. Нужно восстановить последовательность этапов, а не перечислить их в том порядке, в каком они даны. Для этого выясним, какой результат каждого события нужен для следующего.

1. Сначала должны появиться простые органические вещества: без исходных соединений не из чего строить более сложные молекулы.
2. Затем происходит усложнение молекул, после которого их скопления могут обособиться в виде коацерватов.
3. Первые клетки располагают в конце: для их появления необходимы промежуточные этапы формирования более организованных систем.

Ответ: образование простых органических веществ → усложнение органических молекул → появление коацерватов → возникновение первых клеток. Стрелки показывают предполагаемую последовательность, а не доказанную во всех деталях историю. Коацерваты здесь занимают промежуточное место, поскольку могут возникнуть из скоплений органических молекул, но ещё не являются клетками.

Задача 2

Объясните, почему коацерватную каплю нельзя считать полноценным живым организмом, даже если она поглощает вещества и растёт. В условии названы два свойства, которые могут показаться признаками жизни. Нужно проверить, достаточно ли этих свойств для вывода о наличии организма.

1. Поглощение веществ показывает, что капля взаимодействует со средой, а рост — что её количество или размер увеличиваются.
2. Сравним это с признаками клетки: для живой системы важны согласованный обмен веществ, наследственная информация и воспроизведение.
3. Увеличение капли не означает, что она способна создать копию себя и передать ей свои свойства. Поэтому отдельные сходства с живым не дают оснований считать коацерват полноценным организмом.

Ответ: коацерват может поглощать вещества и расти, но это не доказывает наличие наследственности и воспроизведения. Он не обладает полным комплексом свойств живой клетки. Поэтому его рассматривают лишь как возможную модель предшественника более сложных систем.

Задача 3

Предложите опыт, проверяющий возможность образования органических веществ в условиях, которые моделируют раннюю Землю, и укажите, какой вывод можно сделать по его результатам. Важно проверять именно химическое образование соединений, а не пытаться получить в пробирке готовый организм. Опыт должен позволять сравнить результат с контрольным вариантом.

1. Поместите смесь простых веществ в закрытую установку с водой и газовой средой, выбранной для модели ранней Земли.
2. Воздействуйте на систему источником энергии, например электрическими разрядами, а в контрольной установке оставьте те же условия, но без этого воздействия.
3. После опыта проверьте состав образовавшихся веществ подходящими аналитическими методами и сравните обе установки.

Ответ: обнаружение органических соединений в опытной установке покажет, что они могут образовываться абиотически при выбранных условиях. Различие с контрольным вариантом поможет оценить роль источника энергии. Но результат не докажет, что именно так возникла жизнь: опыт проверяет только отдельный этап и конкретную модель условий.

Типичные ошибки

Смешивать абиогенез с самозарождением современных организмов. Это происходит, когда значение слова «абиогенез» трактуют слишком широко и забывают об особых условиях ранней Земли. Проверка: спросите себя, говорится ли о происхождении первых систем в прошлом или о появлении организмов из неживого вещества сейчас. Это разные утверждения, и второе не подтверждается современными данными.

Считать образование органических молекул возникновением жизни. Органические вещества — строительный материал, но отдельная молекула не обязательно способна обмениваться веществами, воспроизводиться и передавать наследственные признаки. Ошибка возникает из-за того, что химическая сложность принимается за живое состояние. Проверка: назовите промежуточные этапы между молекулами и клеткой; если их пропустить, объяснение неполно.

Называть коацерват живой клеткой. Капля могла поглощать вещества и увеличиваться, поэтому её легко принять за организм. Но отдельные сходства не заменяют полного комплекса признаков жизни. Проверка: выясните, есть ли у рассматриваемой системы наследственность и воспроизведение, а не только рост и взаимодействие со средой.

Представлять биохимическую эволюцию как доказанный и полностью восстановленный сценарий. Общая последовательность помогает объяснить возможный переход от веществ к клеткам, но конкретные условия и этапы продолжают изучать. Упрощённая схема может создать впечатление, будто все детали установлены. Проверка: отделяйте подтверждённые экспериментами отдельные реакции от гипотез о полном происхождении жизни.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о составе и свойствах органических веществ, строении клетки и признаках живого: с их помощью можно сравнить молекулу, коацерват и клетку. Представления об атмосфере ранней Земли и источниках энергии объясняют, какие условия могли поддерживать абиотические реакции. Далее эти идеи пригодятся при изучении происхождения клеток, эволюции первых организмов и развития биосферы. Они связывают химию неживой природы с появлением биологических систем.

Что запомнить

• Предполагаемое возникновение жизни рассматривают применительно к условиям ранней Земли.
• Биохимическая эволюция — постепенное образование и усложнение веществ и предшественников клеток.
• Коацерват — обособленное скопление органических молекул, но не полноценная клетка.
• Между органическими молекулами и первыми клетками предполагаются промежуточные этапы.
• Появление наследственности и воспроизведения было необходимо для начала биологической эволюции.
• Гипотезы о происхождении жизни проверяют с помощью наблюдений и экспериментов, моделирующих отдельные условия.