Сейчас известно, что все белки на нашей планете построены только из левовращающих аминокислот, а нуклеиновые кислоты – из правовращающих сахаров; это свойство, называемое хиральной чистотой, считается одной из фундаментальнейших характеристик живого. А поскольку при любом абиогенном синтезе (например, в аппарате Миллера) образующиеся аминокислоты будут состоять из приблизительно равных (по теории вероятностей) долей право- и левовращающих изомеров, то в дальнейшем – при синтезе из этого "сырья" белков – перед нами встанет задача: как химическими методами разделить смесь веществ, которые по определению химически идентичны?

Оптической активностью обладают лишь природные сахара, а упомянутые выше синтетические и полипептиды из метеоритного вещества состоят из равных долей право- и левовращающих аминокислот. Это связано, повидимому, с асимметрией молекулы ДНК, на основе которой строится земная жизнь. Вся «космическая» и искусственная органика оптически нейтральна

Теория биохимической эволюции. Жизнь возникла в специфических условиях древней Земли в результате процессов, подчиняющимся физическим и химическим законам. Последняя теория отражает современные естественнонаучные взгляды и поэтому будет рассмотрена подробнее.

Следует подчеркнуть одно из важнейших отличий теории биохимической эволюции от теории самопроизвольного (спонтанного) зарождения, является то, что согласно теории эволюции жизнь возникла в условиях, которые для современной биоты непригодны!

9.4. Гипотеза Опарина–Холдейна о происхождении жизни

Согласно современным данным формирование Земли произошло 4,52 ± 0,02 млрд лет назад. В далеком прошлом условия на Земле коренным образом отличались от современных, что обусловило определенное течение химической эволюции, которая явилась предпосылкой для возникновения жизни. Другими словами, собственно биологической эволюции предшествовала предбиотическая эволюция, связанная с переходом от неорганической материи к органической, а затем к элементарным формам жизни. Это было возможным в определенных условиях, которые имели место на Земле в то время, а именно:

-высокая температура, порядка 400°С;

-атмосфера, состоящая из водяных паров, СО2, СН3, NH3;

-присутствие сернистых соединений (вулканическая активность);

-высокая электрическая активность атмосферы;

203

- ультрафиолетовое излучение Солнца, которое беспрепятственно достигало нижних слоев атмосферы и поверхности Земли, поскольку озоновый слой еще не сформировался.

Большинство ученых придерживается мнения, что на Земле химическая эволюция привела к спонтанному зарождению жизни в интервале времени между 4,5 и 3,83 млрд лет назад. Последнюю гипотезу в 20-е годы XX века высказали русский ученый А.И. Опарин и англичанин Дж. Холдейн. Она и легла в основу современных представлений о возникновении жизни на Земле.

Начальный этап существования Земли отличался интенсивными термоядерными процессами, высокой температурой (более 1000 °С) и активной химической деятельностью. Образовавшиеся при этом газы (NH3, СН4, С02 и др.) и водяной пар под огромным давлением извергались на поверхность и создавали первичную атмосферу Земли. Когда температура стала ниже 100 °С, на Землю произошла конденсация паров и образовались моря и океаны. В первобытном океане за счет энергии электрических разрядов, непрекращающихся гроз, ультрафиолетовых излучений и вулканической деятельности из растворенных в горячей воде неорганических веществ возникли органические соединения (сахар, аминокислоты, азотистые основания и др.), в том числе большое количество соединений металлов с углеродом (карбидов). Подсчеты показывают, что только посредством вулканической деятельности на поверхности Земли могло образовываться около 1016 кг органических молекул. Абиогенное образование органических соединений не только возможно (это доказано экспериментально) но и широко распространено во Вселенной. Второй этап биогенеза характеризовался возникновением более сложных органических соединений, в частности белковых веществ, углеводов, жиров, аминокислот, нуклеиновых кислот за счет взаимодействия друг с другом. Возможность такого синтеза была доказана экспериментально опытами А.М. Бутлера и др.

В 20-е годы А.И. Опарин и Дж. Холдейн экспериментально показали, что в растворах высокомолекулярных органических соединений могут возникать зоны повышенной их концентрации – коацерватные капли – которые в некотором смысле ведут себя подобно живым объектам: самопроизвольно растут, делятся и обмениваются веществом с окружающей их жидкостью через уплотненную поверхность раздела. Затем, в 1953 г., С.Миллер воспроизвел в колбе газовый состав первичной атмосферы Земли (исходя из состава современных вулканических газов) и при помощи электрических разрядов, имитирующих грозы, синтезировал в ней ряд органических соединений - в

204

том числе аминокислоты. Через некоторое время С.Фоксу удалось соединить последние в короткие нерегулярные цепи – безматричный синтез полипептидов; подобные полипептидные цепи были потом реально найдены, среди прочей простой органики, в метеоритном веществе. После этого Орджел в Институте Солка в сходном эксперименте синтезировал нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты).

Особенно важно, что лабораторные эксперименты совершенно определенно показали возможность образования белковых молекул в условиях отсутствия жизни.

В «первичном бульоне» присутствуют и катализаторы химических реакций, которые образуются в них как промежуточные продукты, то есть возникает автокаталитическая самоорганизующаяся система. После того как образовался «первичный бульон» из углеродных соединений, появилась возможность образования биополимеров – нуклеиновых кислот и белков, обладающих свойствами самовоспроизводства. В результате осаждения органических соединений на минеральных телах, например на глине дна водоемов, возникла концентрация, необходимая для образования полимеров.

Вода в начальный период формирования нашей планеты непрерывно перемещала растворенные в ней вещества из мест образования в места накопления, где формировались протобионты (системы органических веществ, способные расти и развиваться за счет поглощения из окружающей среды богатых энергией веществ).

Количество накопленного органического вещества, образованного таким образом за 1 млрд. лет по некоторым оценкам составил несколько кг на каждый см2, т.е. «первичный бульон» был весьма насыщен органическими соединениями.

Следующий этап – обьеденение в мелкие обособленные структуры раствора – образование скоплений – коацерватов. Коацерватные капли были способны захватывать из окружающей среды – питательного бульона – различные вещества и увеличиваться в размерах, в них могли происходить процессы распада и выделения продуктов распада. Эти вещества вступали во взаимодействие, а крупные капли распадались на мелкие, которые, в свою очередь, могли расти и т. д. По мнению академика Опарина, среди коацерватных капель шел своего рода «отбор» наиболее устойчивых к окружающей среде.

Между коацерватами выстраивались молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечи-

205

вающей коацерватам стабильность. Включение в коацерват молекулы, способной к самовоспроизведению, приводило к возникновению примитивной клетки, которая могла расти. Мембраны располагались на поверхности клетки, а также многократно прошивали ее насквозь в разных направлениях, образуя внутреннюю сеть мембран. На мембранах концентрировались абиогенно синтезированные ферменты, что упорядочило обмен веществ в клетках. Обмен веществ начал зависеть от свойств и порядка расположения ферментов на мембранах. У нуклеиновых кислот, которые синтезировались абиогенно, еще не было однозначно заданных матриц, в соответствии с которыми каждая новая молекула нуклеиновых кислот копирует последовательность азотистых оснований молекулы-матрицы.

В ходе образования и развития коацерватов появились биологические мембраны. Возникновение мембраны, обладающей способностью к избирательной проницаемости, содействовало дальнейшему развитию все более саморегулирующихся систем вплоть до возникновения первых клеток. Первые клетки по теории Опарина возникли в результате эволюции коацерватных капель. Это пример агрегации (создание групп с определенной внутренней структурой) в мире макромолекул. Крупные молекулы имеют обычно сложную форму. Поэтому энергетически более выгодно оказывается слияние этих молекул в каплю. Сложные капли способны улавливать и впитывать в свою структуру определенные вещества из окружающего их раствора, поддерживая этим стабильность своей структуры.

Считается, что на этом этапе процесса синтеза органических соединений четыре рода энергий – α- и β-распад, ультрафиолетовое излучение, электрические разряды и тепловое излучение, являлись равноценными. После синтеза органических соединений они должны были быть перемещены в пространстве, в область, недоступную для их деградации.

Образование мембран считается трудной задачей химической эволюции. Без них не может быть самой примитивной клетки. Мембраны ограничивают вещество коацервата от окружающей среды, придавая прочность «упаковки» и характеризуются полупроницаемостью. Но коацерваты нельзя отнести еще к живым системам, поскольку они не способны к саморегуляции и самовоспроизводству.

Основное отличие живых организмов – это их свойство к репликации, т.е. к самовоспроизведению. Центральной проблемой происхождения жизни на Земле является реконструкция эволюции механизма наследственности. Жизнь возникла только тогда, когда начал действовать механизм репликации.

206

Любая сколь угодно сложная комбинация аминокислот и других сложных органических соединений — это еще не живой организм. Ведь последний, даже в простейших случаях — это отлично налаженный механизм, способный к репликации. Как происходил этот процесс, точно сказать трудно. Наиболее перспективными здесь являются гипотезы на принципах теории самоорганизации и синергетики, работы М. Эйгена о гиперциклах. Гиперцикл, сформировавшийся из нуклеиновых кислот, которые способны с помощью ферментов синтезировать белки, обеспечивает отбор макромолекул с объемом информации, достаточной для возникновения живого организма. Циклические реакции в процессе эволюции повторяются, и каждое повторение ведет к образованию новых, более совершенных систем управления. При этом происходит усложнение структур, возрастает уровень их организации.

Первые организмы были гетеротрофами и питались за счет органических веществ, растворенных в первородном океане, использовали, повидимому, энергии недр планеты. Остатки такой жизни обнаружены в глубоководных разломах. Ее основу составляют хемосинтезирующие (высвобождающие энергию за счет реакции окисления простых неорганических соединений) бактерии, но имеются и более сложные многоклеточные существа (типа червей). Исходя из этого, можно представить, что начало жизни на нашей планете отодвигается более чем на 4 млрд лет назад, то есть жизнь на Земле существует примерно столько же времени, сколько существует сама планета.

Следующий этап – это возникновение автотрофов, использующих солнечную энергию для синтеза органических соединений из простейших неорганических.

С этой точки зрения переход к кислородному фотосинтезу, можно и, повидимому, нужно рассматривать как последовательное приобретение новых более прогрессивных способов существования. Однако для мутации микроорганизмов не требуются сотни миллионов и миллиарды лет. В лабораторных условиях этот процесс осуществляется, с геологической точки зрения, мгновенно.

Возникнув, жизнь стала развиваться быстрыми темпами (ускорение эволюции во времени). Так, развитие от первичных органических соединений до аэробных форм жизни потребовалось около 3 млрд. лет, тогда как с момента возникновения наземных растений и животных прошло около 500 млн. лет, птицы и млекопитающие развились от первых позвоночных за 100 млн. лет,

207