Белково-коацерватная теория Опарина

       Вступление

       Под понятием «жизнь» большинство ученых сейчас  подразумевают  процесс существования сложных систем, состоящих  из больших органических  молекул  и способных  самовоспроизводиться  и   поддерживать   свое   существование в результате обмена энергией и веществом с окружающей средой.  По  современным представлениям возраст Земли, как и всей Солнечной системы, около 4,6  млрд. лет, поэтому вряд ли жизнь старше этого срока. Существует и давняя  гипотеза о том, что жизнь имеет неземное происхождение и занесена на Землю извне, из космоса, однако доказательств этого нет. Кроме того, та  жизнь,  которую мы знаем, удивительно приспособлена для  существования  в  земных  условиях, и если она возникла вне Земли, то на планете земного типа. Поэтому обычно  при изучении происхождения жизни исходят из тех  условий,  которые существовали на только что сформировавшейся Земле.

       Еще Ч.Дарвин понял, что жизнь может  возникнуть только  при  отсутствии жизни. В 1871 г. он писал: «Но если бы сейчас …в каком-либо теплом  водоеме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора  и  доступном  воздействию света, тепла, электричества и т.п., химически образовался  белок,  способный к дальнейшим, все более сложным превращениям,  то  это  вещество  немедленно было  бы  разрушено  или  поглощено,  что  было  невозможно  в   период   до возникновения  живых  существ».  Гетеротрофные организмы,  распространенные сейчас на земле, использовали бы вновь  возникающие  органические  вещества. Поэтому возникновение жизни в привычных нам земных условиях невозможно.

       Второе  условие, при  котором  жизнь  может  возникнуть,  -  отсутствие свободного кислорода в атмосфере. Это важное открытие сделал русский  ученый А.И.Опарин в 1924 г. (к такому же выводу в 1929 г. пришел английский  ученый Дж.Б.С.Холдейн).  А.И.Опарин  высказал   предположение,   что   при   мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая  4-4,5  млрд.  лет  назад состояла из  азота,  водорода,  углекислого  газа,  паров  воды  и  аммиака, возможно, с добавкой синильной кислоты  (ее  обнаружили  в  хвостах  комет), могли  возникнуть  простейшие  органические  соединения,   необходимые  для возникновения жизни. Поэтому возникающие на поверхности  Земли  органические вещества могли накапливаться, не окисляясь. И сейчас на  нашей  планете  они накапливаются  только  в  бескислородных  условиях,  так   возникают   торф, каменный уголь и нефть. Создатель материалистической гипотезы  возникновения жизни на Земле, русский биохимик, академик Александр Иванович Опарин  (1894-1980) посвятил всю свою жизнь проблеме происхождения живого. 

       Белково-коацерватная теория Опарина.

       Пожалуй, первая научная, хорошо продуманная  теория происхождения жизни абиогенным путем была предложена биохимиком А.И. Опариным еще в 20-х годах прошлого века. Теория базировалась на представлении, что все начиналось с белков, и  на возможности в определенных условиях спонтанного химического синтеза  мономеров белков - аминокислот - и  белковоподобных полимеров (полипептидов) абиогенным путем. Публикация теории стимулировала  многочисленные эксперименты в ряде лабораторий мира, показавшие реальность такого синтеза в искусственных  условиях.

       Американский  биолог Ж.Леб в 1912 г. первым получил из смеси газов под действием электрического разряда простейший компонент белков –  аминокислоту глицин.

       Возможно, кроме глицина он получил и  другие  аминокислоты,  но  в  то время еще не было методов, позволяющих определить их малые количества.

Открытие Леба прошло незамеченным, поэтому первый абиогенный    синтез органических  веществ  (т.е.  идущий  без  участия  живых   организмов)   из случайной смеси газов приписывают американским ученым С.Миллеру и  Г.Юри.  В 1953 г. они поставили эксперимент по  программе,  намеченной  Опариным,  и получили под действием  электрических  разрядов  напряжением  до  60  тыс.В, имитирующих молнию, из водорода, метана, аммиака и паров воды под  давлением в  несколько  Паскалей  при  t=80С  сложную   смесь   из   многих   десятков органических  веществ.  Среди  них  преобладали  органические   (карбоновые) кислоты  –  муравьиная,  уксусная  и  яблочная,  их   альдегиды,   а   также аминокислоты (в том числе  глицин  и  аланин).  Опыты Миллера и Юри  были многократно проверены  на  смесях  разных  газов  и  при  разных  источниках энергии  (солнечный  свет,  ультрафиолетовое  и  радиоактивное  излучение  и просто тепло). Органические вещества возникали во всех  случаях.  Полученные Миллером  и  Юри  результаты  побудили  ученых  различных   стран   заняться исследованиями возможных путей пред биологической эволюции.

       В 1958 году Миллер поставил еще один опыт, на этот раз добавив в состав смеси сероводород, в огромном количестве выбрасываемый в атмосферу при извержении вулканов. Результаты этого опыта не были не только опубликованы, но даже и проанализированы. Пролежавшие в стеклянных пробирках полвека с лишним образцы попали в современные приборы, в сотни тысячи раз более чувствительные, чем аппаратура Миллера. В колбах нашли 23 аминокислоты, шесть из которых содержали серу, входящую в состав почти всех наших белков.

       В  1957  году  в Москве состоялся первый Международный симпозиум  по  проблеме  происхождения жизни.

       Теория Опарина быстро стала общепринятой и необыкновенно популярной.

       Основным  ее постулатом было то, что спонтанно  возникавшие в первичном "бульоне" белковоподобные соединения объединялись" в коацерватные капли - обособленные коллоидные системы (золи), плавающие в более разбавленном водном растворе. Это давало главную предпосылку возникновения организмов - обособление некой биохимической системы от окружающей среды, ее компартментализацию. Так как некоторые белковоподобные соединения коацерватных капель могли обладать каталитической активностью, то появлялась возможность прохождения биохимических реакций синтеза внутри капель - возникало подобие ассимиляции, а значит, роста коацервата с последующим его распадом на части - размножением. Ассимилирующий, растущий и размножающийся делением коацерват рассматривался как прообраз живой клетки (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое представление пути происхождения жизни согласно белково-коацерватной теории А.И. Опарина

       Все было хорошо продумано и научно обосновано в теории, кроме одной проблемы, на которую долго закрывали глаза  почти все специалисты в области  происхождения жизни. Если спонтанно, путем случайных безматричных синтезов в коацервате возникали единичные удачные конструкции белковых молекул (например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному коацервату в росте и размножении), то как они могли копироваться для распространения внутри коацервата, а тем более для передачи коацерватам-потомкам? Теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного воспроизведения - внутри коацервата и в поколениях - единичных, случайно появившихся эффективных белковых структур.

     По  данным, полученным в последнее  время  нашими  учеными,  простейшие органические вещества могут  возникать  и  в  космическом  пространстве  при температуре,  близкой  к  абсолютному  нулю.   В  принципе  Земля  могла  бы получить абиогенные органические вещества и как приданое при возникновении.

     В результате океан превратился в  сложный раствор органических веществ (т.н. первичный океан), которым в принципе  могли бы  питаться  анаэробные бактерии (организмы, способные жить и развиваться при отсутствии  свободного кислорода и получающие энергию для  жизнедеятельности  за  счет  расщепления органических или неорганических веществ). Кроме аминокислот  в  нем  были  и предшественники нуклеиновых кислот – пуриновые основания, сахара, фосфаты  и др.

     Однако  низкомолекулярные органические вещества еще  не  жизнь.  Основу жизни представляют биополимеры  –  длинные  молекулы  белков  и  нуклеиновых кислот,  слагающиеся  из  звеньев  –  аминокислот  и  нуклеотидов.   Реакция полимеризации первичных звеньев в водном  растворе  не  идет,  так  как  при соединении друг с другом двух аминокислот  или двух нуклеотидов  отщепляется молекула  воды.  Реакция  в  воде  пойдет  в  обратную   сторону.   Скорость расщепления   (гидролиза)  биополимеров  будет  больше,  чем скорость   их синтеза. В цитоплазме наших клеток синтез биополимеров  -  сложный  процесс, идущий с затратой энергии АТФ.  Чтобы  он  шел,  нужны  ДНК,  РНК  и  белки, которые сами являются результатом этого процесса. Ясно, что  биополимеры  не могли возникнуть сами в первичном океане.

     Возможно,  первичный  синтез  биополимеров   шел   при   замораживании первичного океана или же при нагревании  сухого  его  остатка.  Американский исследователь С.У. Фокс, нагревая до 130С сухую смесь аминокислот,  показал, что в этом случае реакция полимеризации идет (выделяющаяся вода  испаряется) и получаются искусственные протеиноиды, похожие на белки, имеющие до  200  и более аминокислот в цепи.  Растворенные  в  воде,  они  обладали  свойствами белков, представляли питательную среду для бактерий  и  даже  катализировали (ускоряли) некоторые химические реакции, как настоящие ферменты.  Возможно, они возникали в предбиологическую эпоху на раскаленных склонах вулканов,  а затем дожди смывали их в первичный океан. Есть и  такая  точка  зрения,  что синтез  биополимеров   шел   непосредственно   в   первичной   атмосфере   и образующиеся соединения выпадали в первичный океан в виде частиц пыли.

     Следующий предполагаемый этап возникновения  жизни – протоклетки.  А.И. Опарин показал, что в  стоящих  растворах  органических  веществ  образуются коацерваты  –  микроскопические  «капельки»,  ограниченные   полупроницаемой оболочкой –  первичной  мембраной.  В  коацерватах  могут  концентрироваться органические  вещества,  в  них  быстрее  идут  реакции,  обмен  веществ   с окружающей средой,  и  они  даже  могут  делиться,  как  бактерии.  Подобный процесс наблюдал при растворении искусственных протеиноидов Фокс, он  назвал эти шарики микросферами.

       В  протоклетках    вроде коацерватов или   микросфер   шли   реакции

     полимеризации  нуклеотидов,  пока  из  них  не  сформировался   протоген   –

     первичный   ген,   способный   катализировать   возникновение   определенной

     аминокислотной  последовательности -  первого белка. Вероятно,  первым  таким

     белком  был предшественник фермента, катализирующего  синтез ДНК или  РНК.  Те

     протоклетки, в которых  возник  примитивный механизм   наследственности  и

     белкового синтеза, быстрее  делились  и  забрали  в  себя  все  органические

     вещества  первичного океана. На этой стадии шел  уже  естественный  отбор  на

     скорость  размножения; любое усовершенствование биосинтеза подхватывалось,  и

     новые протоклетки вытесняли все предыдущие.

           Последние  этапы  возникновения   жизни  –  происхождение   рибосом   и

     транспортных РНК, генетического кода и энергетического механизма клетки  с

     использованием  АТФ – еще не удалось воспроизвести  в  лаборатории.  Все  эти

     структуры и процессы имеются уже  у  самых  примитивных  микроорганизмов,  и

     принцип их строения и функционирования не  менялся  за  всю  историю  Земли.

     Поэтому   заключительный   этап   происхождения   жизни   мы   можем    пока

     реконструировать  только предположительно – до тех  пор, пока его  не  удастся

     воссоздать  в экспериментах.

           Пока можно лишь  утверждать,  что  на  возникновение  жизни   в  земном

     варианте  потребовалось относительно мало времени  – менее одного  млрд.  лет.

     Уже 3,8 млрд. лет  назад  существовали  первые  микроорганизмы,  от  которых

     произошло все многообразие форм земной жизни.

           Жизнь возникла на земле абиогенным  путем.  В  настоящее  время   живое

     происходит  только  от   живого   (биогенное   происхождение).   Возможность

     повторного  возникновения жизни на земле  исключена.