Происхождение и эволюция биосферы

Первым этапом эволюции биосферы считается химический этап, заключающийся в образовании простых органических соединений из первичных газов атмосферы – метана, аммиака, водорода в условиях высоких температур, повышенной вулканической деятельности, солнечного излучения, электрических разрядов. Это положение находится в основе известной гипотезы А.И. Опарина, подтвержденной в середине нашего столетия экспериментально при пропускании электрических разрядов через смесь водорода, аммиака, метана, паров воды и монооксида углерода (так называемая реакция Миллера - Юри).

Первыми органическими соединениями были аминокислоты, образовавшиеся в первичном океаническом «бульоне» в результате взаимодействия циановодорода (HCN) и альдегидов в присутствии аммиака. Заметим, что, по некоторым данным, аминокислоты могут синтезироваться и в газовой фазе. Одновременно происходило образование простых сахаров (рибозы, дезоксирибозы) (рис. 2).

Рис. 2. Схема образования простейших органических соединений из газов первичной атмосферы под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца (По М.М. Камшилову, 1974)

Тем самым в водной среде образовывались основные компоненты нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). В частности, из циановодорода (нитрила), которым, как считают, была обогащена первичная атмосфера, могли возникнуть, по крайней мере, два из четырех оснований нуклеиновых кислот: аденин и гуанин. Например, эмпирическую формулу молекулы аденина (C₅H₅N₅) можно представить в виде пяти объединенных молекул циановодорода.

Рибоза и дезоксирибоза в сочетании с основаниями нуклеиновых кислот (аденин, гуанин, цитозин, тимин) образовывали нуклеозиды, а последние, в свою очередь, в сочетании с фосфатами – нуклеотиды – простейшие составляющие нуклеиновых кислот.

Следующий этап химической эволюции – полимеризация «малых» молекул в более крупные, т. е. образование собственно нуклеиновых кислот и белков.

При объединении отдельных молекул аминокислот происходит выделение воды (дегидратация). Полагают, однако, что процесс преобразования нуклеоэидов в нуклеотиды происходил уже не в водной среде, а в пересыхающих морских лагунах, в условиях илистого дна которых и осуществлялась дегидратация под воздействием солнечного излучения.

Существуют и другие гипотезы, объясняющие этот механизм (например, гипотеза об адсорбировании нитрилов поверхностью глинистых частиц с последующим образованием характерных для белковых молекул карбоксильных групп).

В настоящее время гипотеза А.И. Опарина подвергается сомнению на том основании, что в первичной атмосфере нашей планеты не было такого важнейшего компонента, как аммиак, но присутствовали углекислый газ, пары воды, азот и летучие соединения серы. Поэтому утверждается, что жизнь возникла не на Земле, а привнесена из космического пространства вместе с метеоритным органическим веществом. Метеориты, в свою очередь, являются осколками астероидов (малых планет), состоящих, как предполагается, из углистых хондритов. Последние представлены главным образом гидратированными силикатами, но в них присутствуют углеводороды, карбоновые кислоты, а также азотистые соединения, включая аминокислоты, полипептиды, порфирины и др., имеющие абиогенное происхождение.

Собственно биологическая эволюция началась с образования клеток, а далее – одноклеточных организмов. Первые остатки жизни найдены в слоях литосферы, образовавшихся около 3 млрд. лет назад – на заре архейской эры. Дальнейшее усложнение жизни связано с развитием многоклеточности. Одна из гипотез о ее происхождении – колониальная. Полагают, что колониальность возникла в результате не вполне законченного бесполого размножения: клетка разделилась, но дочерние образования не разошлись. В их химическом составе появились различия, повлекшие за собой функциональную специализацию: одни клетки обеспечивали ассимиляцию, другие – выделение, третьи – подвижность, четвертые – воспроизводство и т. д.

Проникновение жизни в разные области Земли с разными физико-химическими условиями, в частности выход организмов из воды на сушу, потребовали приспособления (адаптации) к новым, более динамичным условиям, что, в свою очередь, было связано с избирательным отпадом части организмов, появлением процессов естественного отбора.

Из 6 эр и 17 периодов общей продолжительностью около 3,5 млрд. лет лишь небольшой отрезок времени (около 1 млн. лет) отделяет нас от начала последнего периода кайнозойской эры – антропогена. Человеческое общество – один из последовательных этапов биогенеза, т. е. развития жизни на планете. Поскольку общество превратилось в мощную природную силу, целенаправленно и необратимо преобразующую окружающую среду, включая теперь и космическое пространство, возникает вопрос, как далее будут развиваться человечество и биосфера.