Современные концепции возникновения жизни

В той первой капле в  подкипящем состоянии (250 – 200 оС и 50 атм.) первая тетрамерная спиральная цепочка  связанной с жестким силикатным субстратом воды, совершенно случайно оказалось левовращающей (с той  же вероятностью она могла быть и  правовращающей). На ней была синтезирована  первая аминокислота, которая уже  не случайно получилась левовращающей. К первой тетрамерной цепочке  присоединилась вторая, тоже левая, как  и синтезированная на ней аминокислота, то есть все последующие аминокислоты становились левовращающими. И так  последовательно заработал водно-матричный  механизм синтеза сразу хирально-чистой аминокислотной органики.

Однако одновременно с  левовращающими «разворачивались»  и правовращающие тетрамерные цепочки  связанной воды, на которых позднее  начался синтез менее термостойких сахаров – основы нуклеиновых  кислот. Такой синхронный синтез полипептидов и полинуклеотидов неумолимо  вел к образованию сложных  нуклеопротеидных комплексов с записью  в их примитивной РНК однозначного генетического кода.

Итак, главным фактором хирального очищения органики и возникновения  генетического кода живого вещества Земли могло быть лишь одно из необычайных  свойств воды, а именно ее собственная  рацемичность. Следует отметить также, что в принятых сейчас сценариях  биопоэза синтез рацемичной предбиологической  органики происходил в уже существовавшем океане, в котором позднее произошла  хиральная катастрофа.

В интерпретации же Ю. А. Колясникова  все началось с самой первой капли, и далее шла стремительная  экспансия бульонной пленки с  синтезом в ней сразу хирально-чистой органики, что исключает маловероятную  хиральную катастрофу. В результате на поверхности планеты образовался  первобытный Солярис, огромная сеть бульонной пленки состоящей из предбиологического органического вещества.

С появлением в первом вулканическом  катаклизме 4 млрд. лет назад на поверхности  планеты свободной воды, уцелевшие  фрагменты первобытного Соляриса дезинтегрировались в плазмиды, прионы и наноразмерные  нуклеопротеидные комплексы. Избегая  прямого контакта с чуждой им объемной политетрамерной водой, последние  сворачивались, формируя белковые капсулы  с РНК внутри них. Следовательно, вторым этапом биопоэза можно считать  образование в первичной гидросфере бесчисленного множества разнообразных  протовирусов, вироидов и прочих.

Позднее появились мембраны разного состава, а на их основе возникли первые клетки как вполне автономные истинно живые системы. Но и те, и другие продолжали использовать в  своей жизнедеятельности первичную  водную матрицу, обеспечивающую ускоренный синтез их биополимеров.

§1.4 Теория У. Мартина и М. Рассела

Уильям Мартин из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе, Германия, и Майкл Рассел из Центра изучения окружающей среды, Университет  Шотландии, Глазго, Великобритания  утверждают, что первые живые организмы на Земле могли появиться внутри камней, выстилающих дно океана.

Более 4 миллиардов лет назад  крошечные полости внутри минералов  могли выступить в роли клеток.

Ключевой момент в этой теории – отложения сульфида железа (FeS). В горячих источниках на морском  дне это соединение образует «соты» с ячейками шириной в несколько  сотых миллиметра. Как считают  Мартин и Рассел, эти ячейки –  идеальное место для возникновения  жизни По сравнению с другими  гипотезами возникновения жизни  на Земле, теория Мартина и Рассела  уникальна тем, что она предполагают, что возникновение клетки предшествовало возникновению белков и самореплицирующихся молекул. С притоком горячей воды в ячейки попадают ионы аммония (NH4+) и монооксид углерода (CO), и сульфид железа выступает в роли одного из катализаторов синтеза органических веществ из неорганики. Простые соединения концентрировались в «камерах» из сульфида железа, что могло привести к возникновению сложных молекул – белков и нуклеиновых кислот.

Форд Дулитл из канадского университета Далхаузи, Галифакс считает  данную теорию красивой и практически  всеобъемлющей. Другие ученые согласны, что ячейки сульфида железа вполне могут быть «инкубаторами» первичных  жизненных форм, однако указывают  на «недостающее звено» между простыми органическими соединениями и химией живых существ. Так, Пьер Луиджи Люизи  из Федерального института технологий в Цюрихе, Швейцария считает, что  без объяснения происхождения ферментов  все вышесказанное останется  голой теорией.

Мартин и Рассел предположили, что живые организмы покинули каменные ячейки, когда научились  сами строить клеточную стенку. Поэтому  они выдвинули довольно спорное  предположение о том, что жизнь  на Земле возникала дважды. Об этом, по их мнению, свидетельствует большая  разница в строении клеточной  стенки у двух основных царств примитивных  прокариот – бактерий и архебактерий.

С этим согласны далеко не все. Например, Томас Кавалье-Смит из Оксфордского университета в Великобритании говорит, что у бактерий и архебактерий есть сотни гомологичных генов, а  также множество сходных признаков, таких как, скажем, способ встраивания  белков в мембрану.

Мартин в ответ утверждает, что из-за способности бактерий обмениваться ДНК сейчас нам трудно установить последовательность событий только на основе генетики. Он предполагает, что  выход обоих царств из каменных ячеек  произошел около 3,8 миллиардов лет  назад, в то время как самые  древние ископаемые образцы, бесспорно  свидетельствующие о наличии  бактерий на Земле, относятся к периоду  около 2,5 миллиардов лет назад, хотя некоторые исследователи говорят  о возникновения жизни еще 3,5 миллиарда  лет назад.

§1.5 Гипотеза Сванте Аррениуса

Даже если считать, что  путь от неживой материи к прокариотической клетке не сложнее, чем последующее формирование клеточного ядра (что далеко не так), а скорость эволюции неизменна (в действительности она постоянно нарастает), то и тогда создание первой клетки должно было бы длиться хотя бы столько, сколько длилось формирование ядра (т.е. 2,0¸2,4 млрд. лет). Как же воспринять практическое отсутствие этого промежутка времени, отсутствие столь принципиально важного предбиологического этапа эволюции, этапа подхода к появлению Жизни?

Противоречие в сроках, как и противоречия однотипной биохимии, касаются ранних этапов биологической  эволюции, не оставивших ясных следов в палеонтологической летописи. Это  требует более внимательного  и критического рассмотрения проблемы возникновения жизни на Земле  в целом.

В бывшем СССР официальной  наукой признавалась только „материалистическая  теория происхождения жизни” А.И. Опарина (1922 г.) и примыкающие к ней работы. Речь шла о развитии клеток из так  называемых коацерватных капель в водах  Первичного океана. За рубежом же ещ ранее была высказана гипотеза С. Аррениуса о случайном занесении на Землю жизни из космоса, получившая название гипотезы панспермии.

Обращаясь к истории представлений  о панспермии, можно отметить, что  идея о существовании внеземной  жизни высказывалась не только в  религиозных учениях, в священной  книге индусов Веде, в Авесте персов, в учении Заратустры, но и в трудах философов древнего мира. По учению о панспермии древнегреческого мыслителя  Анаксагора, зародыши жизни распространены повсюду. Философская школа Эпикура  учила, что существует множество  обитаемых миров, подобных нашей  Земле.

Один из сторонников этой школы Митридор сказал, что «считать Землю единственным населённым миром  в беспредельном пространстве было бы такой же вопиющей нелепостью, как  утверждать, что на громадном засеянном  поле мог бы вырасти только один пшеничный колос».

Римский философ Лукреций Кар в поэме «О природе вещей» писал: «Весь этот видимый мир  вовсе не единственный в природе, и мы должны верить, что в других областях пространства имеются другие земли с другими людьми и другими  животными». Аналогичную мысль выражал  Джордано Бруно. Он писал: «Существуют  бесчисленные солнца, бесчисленные земли, которые кружатся вокруг своих солнц, подобно тому, как наши 7 планет кружатся вокруг нашего Солнца... На этих мирах  обитают живые существа».

Вопреки старинному латинскому звучанию фамилии, шведский учёный Сванте Август Аррениус (1859-1927) относился к  наиболее передовым мыслителям рубежа столетий. Он стал одним из основателей  физической химии, автором теории электролитической  диссоциации и основного уравнения  химической кинетики, трудов по астрономии, астрофизике и биологии, лауреатом  Нобелевской премии, иностранным  членом-корреспондентом Петербургской  Академии Наук, а позже – иностранным  почётным членом Академии Наук СССР.

Кроме Аррениуса, в XIX и первой четверти XX ст. сторонниками учения о  панспермии были выдающиеся зарубежные учёные Ф. Кон, Ю. Либих, Г. Гельмгольц, В. Томсон. В более позднее время мысль о возможности переноса спор бактерий через космическое пространство поддерживал американский учёный К. Саган. На территории бывшего СССР сторонниками учения о панспермии были С.П. Костычев, П.П. Лазарев, Л.С. Берг.

§1.6 Гипотеза А.И Опарина.

Пик исследований А. И. Опарина  и его соавторов приходился на 50-60-е годы, хотя его книга «Происхождение жизни» была опубликована еще в 1924 году.

Появление жизни он рассматривал как единый естественный процесс, который  состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень - биохимическую эволюцию.

С самого начала этот процесс  был связан с геологической эволюцией. В настоящее время принято считать, что возраст нашей планеты составляет примерно 4,3 млрд лет. В далеком прошлом Земля была очень горячей (4000-8000 °С). По мере остывания образовывалась земная кора, а из воды, аммиака, двуокиси углерода и метана - атмосфера. Такая атмосфера называется «восстановительной», поскольку не содержит свободного кислорода. При падении температуры на поверхности Земли ниже 1000C образовались первичные водоемы. Под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси происходил синтез органических веществ-мономеров, которые локально накапливались и соединялись друг с другом, образуя полимеры. Можно допустить, что тогда же одновременно, с полимеризацией шло образование надмолекулярных комплексов-мембран.

По однотипным правилам синтезировались  в «первичном бульоне» гидросферы Земли  полимеры всех типов: аминокислоты, полисахариды, жирные кислоты, нуклеиновые кислоты, смолы, эфирные масла и др. Это предположение было проверено экспериментально в 1953 году на установке Стэнли Миллера, которому удалось получить многие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряд аминокислот, аденин и простые сахара. Позднее в сходном эксперименте были синтезированы нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты).

Органические вещества скапливались в сравнительно неглубоких водоемах, прогреваемых Солнцем. Солнечное излучение доносило до поверхности Земли ультрафиолетовые лучи, которые в наше время сдерживаются озоновым слоем атмосферы. Так энергией обеспечивалось протекание химических реакций между органическими соединениями и синтез полимеров.    

Первичные клетки предположительно возникли при помощи молекул жиров (липидов).

Молекулы воды, смачивая только гидрофильные концы молекул жиров, ставили их как бы «на голову», гидрофобными концами вверх. Таким способом создавался комплекс упорядоченных молекул жиров, которые за счет прибавления к ним новых молекул постепенно отграничивали от всей окружающей среды некоторое пространство, которое и стало первичной клеткой, или коацерватом — пространственно обособившейся целостной системой. Коацерваты оказались способными поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечивало возможность первичного обмена веществ со средой.       

Таким образом, первичная  клеточная структура, по Опарину, представляла собой открытую химическую микроструктуру которая была наделена способностью к первичному обмену веществ, но еще  не имела системы для передачи генетической информации на основе нуклеиновых кислот. Такие системы, черпающие из окружающей среды вещества и энергию, могут противостоять нарастанию энтропии и способствовать ее уменьшению в процессе своего роста и развития, что является характерным признаком всех живых систем.

Естественный отбор сохранял те системы, в которых были более совершенными функция обмена веществ и приспособленность организма в целом к существованию в данных условиях внешней среды. 

В ходе естественного отбора выжили системы, имевшие особое строение белковых полимеров, что обусловило появление третьего качества живого - наследственности (специфичной формы передачи информации).

Концепция А. И. Опарина в  научном мире весьма популярна. Сильной ее стороной является точное соответствие теории химической эволюции, согласно которой зарождение жизни - закономерный результат. Аргументом в пользу этой концепции служит возможность экспериментальной проверки ее основных положений в лабораторных условиях.

Слабой стороной концепции  А. И. Опарина является допущение возможности самовоспроизведения коацерватных структур в отсутствие систем, обеспечивающих генетическое кодирование. В рамках концепции Опарина не решена главная проблема - о движущих силах саморазвития химических систем и перехода от химической эволюции к биологической, о причине таинственного скачка от неживой материи к живой.

Глава II. Опытно – экспериментальная часть

§2.1 Абиотический синтез биомономеров

Синтез аминокислот при  действии электрических разрядов в  газовой смеси, имитирующей возможный  состав примитивной земной атмосферы, был осуществлен еще в 1953 г  в широко известных в настоящее время опытах Миллера.  Использованный  для этой цели прибор Миллера изображён на рис 1. Он состоит из большого круглого сосуда,  в котором находится исходная смесь газов и в котором производится  электрический  разряд,  а также малой колбы с кипящей водой - в ней скапливаются получающиеся продукты.

При действии искрового или  тихого разряда на смесь СН4, NH3, H2 и паров воды при постоянной  (в течение недели) циркуляции смеси в малой колбе были обнаружены глицин, α-аланин, α -аминомасляная и α -аминоиз масляная кислоты, β-аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, саркозин и N-СН2-аланин. Промежуточными продуктами этой реакции являлись альдегиды HCN.

Рис. 1. Прибор   Миллера    для   синтеза органических    соединений в восстановительной атмосфере под действием искровых разрядов