Из большого числа химических элементов для жизни необходимы только 16, а водород, углерод, кислород и азот составляют почти 99% живой материи. Уникальными свойствами обладает углерод, и наша жизнь называется углеродной, или органической. Четырехвалентность углерода приводит к огромному числу его соединений, которыми занимается органическая химия. Углерод образует сложные молекулы, представляющие собой кольца и цепи, обеспечивающие разнообразие органических соединений.

Аминокислоты - важный для жизни класс органических соединений. В живых организмах они используются для синтеза белков: растения могут синтезировать их из простых веществ, а в животные организмы они должны поступать с пищей, поэтому их называют незаменимыми. Из четырех нуклеотидов построены и другие крупные молекулы - нуклеиновые кислоты, тоже входящие в состав живой клетки. Нуклеиновые кислоты представляют собой двухцепочечные молекулы.

Современные научные гипотезы происхождения жизни связаны с образованием в определенных условиях более сложных неорганизованных молекул-коагулянтов, гелей коацерватов. У этих коллоидных образований, как считали Опарин и Холдейн, на поверхности могут происходить процессы, напоминающие метаболизм живых организмов. Коацерваты способны делиться на части, увеличиваться в размерах, поглощать более простые молекулы. Гипотеза Опарина-Холдейна проверялась на установке Меллера, где искровой разряд пропускался через смесь метана, аммиака, водорода и воды, что имитировало условия первичной Земли. Были синтезированы простейшие аминокислоты. Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самопроизводящие системы, построенные из биополимеров - белков и нуклеиновых кислот.

2. Происхождение жизни

Происхождение жизни - один из самых сложных, трудных и в то же время интересных вопросов современного естествознания. В лабораторных условиях до сих пор не удалось воспроизвести процессы возникновения жизни такими, какими они были миллиарды лет назад. Ведь даже тщательно поставленный опыт - лишь модель, приближенно учитывающая условия появления жизни на Земле. Тем не менее, постепенно расширяются представления о зарождении жизни. Существенный вклад в решение вопроса о происхождении жизни внесли академик АН СССР, биохимик А.И. Опарин (1894-1980), английские естествоиспытатели Дж. Бер - нал (1901-1971), Б.С. Холдейн (1892-1964) и др.

История жизни и история Земли неотделимы друг от друга. Именно в процессах развития нашей планеты формировались основные условия за - рождения жизни - диапазоны температур, влажности, давления, уровень радиации и т.п. Например, диапазон температур, в котором возможна активная жизнь, довольно узок.

Одна из гипотез о происхождении Земли и всей Солнечной системы, как уже отмечалось, заключается в том, что Земля и все планеты сконденсировались из космической пыли и газа, рассеянных вокруг Солнца. Во внешних областях Солнечной системы в результате конденсации газов образовались различные летучие органические соединения, содержащие один из основных элементов всех живых организмов - углерод. При нагревании Солнцем они вновь превращались в газ, а из некоторой их части под действием излучения образовались менее летучие вещества - угле - водороды (соединения углерода с водородом) и соединения азота. Воз - можно, из пылевых частиц с оболочками из органических соединений сформировались сначала астероиды, а затем планеты. Такие предположения подтверждают то, что планеты-гиганты - Юпитер, Сатурн, Уран - состоят преимущественно из метана, водорода, аммиака, льда и других веществ. Более того, в метеоритах обнаружен аденин - одна из аминокислот, входящих в состав молекулы ДНК. Аденин удалось синтезировать в лабораторных условиях при моделировании первичной атмосферы Земли, а органические соединения, играющие большую роль в обмене веществ живых организмов, - щавелевую, муравьиную и янтарную кислоты - получили при облучении водных растворов углекислоты.

Первичная атмосфера Земли, как и других планет, содержала, по-видимому, метан, аммиак, водяной пар и водород. При воздействии в лаборатории на смесь таких газов электрическими разрядами, имитирующими молнию, и ультрафиолетовым излучением синтезированы сложные органические вещества, входящие в состав натуральных белков. Вероятно, электрические разряды, световая и ультрафиолетовая радиация еще до образования Земли или на самой первой стадии ее развития способствовали образованию сложных органических веществ.

Какие же химические элементы являются основными слагаемыми всего 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. Количество фосфора, калия, хлора, серы, кальция, натрия, магния, железа не превышает десятых долей процента. Медь, цинк, йод, фтор и другие элементы составляют тысячные и десятитысячные доли процента.

Особая роль в живых организмах принадлежит углероду. Говорят, что жизнь на нашей планете «углеродная»: многие органические соединения живых организмов содержат углерод. Число органических соединений на его основе огромно - миллионы. Они химически активны при сравни - тельно невысокой температуре. Из их молекул образуются длинные цепи различной формы, при перестройке которых существенно меняется их активность, возрастающая при наличии катализаторов.

На ранней стадии образования органических веществ из неорганических, вероятно, действовал предварительный отбор соединений, из которых 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 составных блоков - мономеров (низкомолекулярных соединений). Например, всего лишь 29 сравнительно несложных мономеров достаточно для построения любого живого организма. В число их входят 20 аминокислот, из которых состоят все белки, 5 азотистых оснований (из них в комбинации с другими веществами образуются носители наследственности - нуклеиновые кислоты), а также глюкоза - важнейший источник энергии, необходимой для жизнедеятельности, и жиры - структурный материал мембран клеток и накопитель энергии. Такое сравнительно небольшое число органических со - единений - результат естественного отбора, выделившего в течение почти миллиарда лет из огромного количества веществ лишь необходимые для живых систем. Это означает, что эволюции организмов предшествовала очень длительная химическая эволюция.

Соединения на основе углерода образовали «первичный бульон» гидросферы. Согласно одной из гипотез, содержащие углерод и азот вещества возникали в расплавах в глубине Земли и выносились на поверхность при извержении вулканов. Размываясь водой, они попадали в океан, где и образовывался «первичный бульон». Важнейшую роль в зарождении живых организмов сыграло объединение множества отдельных молекул органических веществ в упорядоченные молекулярные структуры - биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты, обладавшие важнейшим биологическим свойством воспроизведения себе подобных. Свободный кислород появился значительно позже углерода в результате фотосинтеза, происходившего вначале в водорослях и бактериях, а затем и в наземных растениях. Бескислородная среда способствовала, по-видимому, синтезу биополимеров: кислород как сильный окислитель разрушал бы их.

В результате объединения несложных органических соединений образовались вначале ферменты - белковые катализаторы, а затем нуклеиновые кислоты - носители наследственной информации. 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 и т.п.

К концу биохимической стадии развития жизни появились структурные образования - мембраны, сыгравшие важную роль в построении клеток. Первые организмы на Земле были одноклеточные - прокариоты. Проходили сотни миллионов, даже миллиарды лет, в течение которых из прокариот образовывались эукариоты, в их клетке сформировались ядро с веществом, содержащим код синтеза белка, ядрышко, находящееся в ядре, и другие структурные элементы (рис. 7.6). С появлением эукариот наметился выбор растительного или животного образа жизни, различие между которыми заключается в способе питания и связано с важнейшим для всего живого процессом - фотосинтезом.

Фотосинтез сопровождается поступлением в атмосферу кислорода.

Подсчитано, что благодаря фотосинтезу весь углекислый газ планеты - и в атмосфере, и растворенный в воде - обновляется примерно за 300 лет, а весь кислород - за 2 тыс. лет. По-видимому, нынешнее содержание кислорода в атмосфере (21%) было достигнуто 250 млн. лет назад в результате интенсивного развития растений.

Предполагается, что многоклеточные организмы родились из одноклеточных. Теорию происхождения многоклеточных организмов создал наш соотечественник, выдающийся ученый И.И. Мечников (1845-1916), лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1908 г. Многоклеточные организмы прошли долгий путь эволюции жизни, о чем свидетельствует палеонтологическая летопись, окаменевшие страницы которой постепенно открывают тайны происхождения жизни.