5. Биохимическая эволюция а.И. Опарина
По современным научным представлениям возраст Земли составляет около 5 млрд. лет. В далеком прошлом температура ее поверхности была очень высокой (4000-80000 С), и по мере того как Земля остывала, углерод и тугоплавкие металлы конденсировались и образовали земную кору. Поверхность планеты была голой и неровной, так как на ней в результате вулканической активности происходило образование складок и разрывов.
В 1923 г. А.И. Опарин в своей книге «Происхождение жизни» высказал мнение, что атмосфера первичной Земли была не такой, как сейчас. Легкие газы — водород, гелий, азот, кислород и аргон — уходили из атмосферы, так как гравитационное поле нашей еще недостаточно плотной планеты не могло их удержать. Однако такие соединения как вода, аммиак, углекислый газ и метан должны были удерживаться. До тех пор, пока температура Земли не упала ниже 1000 С, вся вода находилась в парообразном состоянии. Атмосфера была «восстановительной», о чем свидетельствует наличие в самых древних породах Земли металлов в восстановительной форме, таких как двухвалентное железо. Более молодые горные породы содержат металлы в окисленной форме (трехвалентное железо). Отсутствие в атмосфере кислорода было важным условием для возникновения жизни. Опытным путем установлено, что органические вещества (основа живых организмов) гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере, богатой кислородом.
Опарин полагал, что органические вещества (углеводороды) могли создаваться в океане из более простых соединений под действием интенсивной солнечной радиации (главным образом ультрафиолетовой), падавшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. Разнообразие находившихся в океане простых соединений, огромная площадь поверхности Земли, доступность энергии (молнии, вулканы) и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества, и образовался тот «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь.
Схожую мысль еще в 1871 г. высказал Ч. Дарвин: «Часто говорят, что все необходимые для создания живого организма условия, которые могли когда-то существовать, имеются и в настоящее время, но если представить себе, что в каком-то небольшом теплом пруду, содержащем всевозможные аммонийные и фосфорные соли, при наличии света, тепла, электричества и т. п. образовался бы химическим путем белок, готовый претерпеть еще более сложные превращения, то в наши дни такой материал непрерывно пожирался бы или поглощался, чего не могло случиться до того, как появились живые существа».
Появление жизни Опарин рассматривает как закономерный процесс перехода химической эволюции на качественно новый уровень – биохимическую эволюцию.
В 1953 г. американский ученый Стэнли Миллер провел уникальный эксперимент. Пропуская в течение недели высоковольтные электрические разряды через смесь газов (CH4, NH3, H2O, Н2), предположительно составлявших первичную атмосферу Земли, он синтезировал 15 аминокислот (как лево-, так и правовращающих в т.ч. глицин, аланин и аспарагиновую к-ту), аденин и рибозу. Позже в сходном эксперименте были получены простые нуклеиновые кислоты длинной в 6 нуклеотидов.
Недавние эксперименты, проведенные с использованием установки Миллера, в которую, поместили смесь СО2 и Н2О и только следовые количества других газов, повторили результаты опытов Миллера. Следовательно, первичная атмосфера Земли содержала высокую концентрацию СО2.
Опарин полагал, что решающая роль в превращениях неживого в живое принадлежала белкам. Благодаря амфотерности белковых молекул, они притягивают к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку, в результате чего образовывались коллоидные гидрофильные комплексы. Эти комплексы обособлялись от всей массы воды, образуя своего рода эмульсию. При слиянии комплексов друг с другом образовывались коацерваты (от лат. - сгусток), которые возможно, были способны к первичному обмену веществ с окружающей средой и избирательному накоплению различных соединений. Накапливаясь в водах океана, коацерваты образовали тот «первичный бульон», в котором впоследствии зародилась жизнь.
Различие в химическом составе коацерватов поставляло сырье для «биохимического естественного отбора». Входящие в состав коацерватов вещества вступали между собой в химические реакции, в результате чего образовались ферменты, значительно ускорившие процессы обмена и синтеза веществ. На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов (жиров), образуя примитивную клеточную мембрану. В результате включения в коацерват предсуществующей молекулы, способной к самовоспроизведению возникла примитивная клетка - гетеротрофный организм, питавшийся органическими веществами первичного «бульона».
Теория А.И. Опарина завоевала широкое признание в научном мире, но имеет как сильные, так и слабые стороны. Сильными сторонами являются:
ее соответствие теории химической эволюции, согласно которой зарождение жизни – закономерный результат абиогенной эволюции материи.
возможность лабораторного воспроизведения предполагаемых условий первобытной Земли и коацерватов, имитирующих доклеточный предок жизни.
Слабой стороной теории является то, что она оставляет нерешенным главный вопрос – как произошел качественный скачок от неживого к живому? К тому же она предполагает случайное возникновение первичной ДНК, вероятность чего - 10-87. Куда более вероятно предположить, что какая-нибудь мартышка, барабаня по клавиатуре компьютера, напечатает 66-й сонет Шекспира. По современным представлениям, молекула ДНК сама по себе нежизнеспособна и может функционировать только в комплексе белками-ферментами.