Концепции зарождения жизни на земле

Страница 3

Анализ возможных оценок количества органического вещества, которое накопилось неорганическим путем на ранней Земле, впечат­ляет: по некоторым расчетам за 1 млрд. лет над каждым квадратным сантиметром земной поверхности образовалось несколько кило­граммов органических соединений. Если их все растворить в миро­вом океане, то концентрация раствора была бы приблизительно 1%. Это довольно концентрированный «органический бульон». В таком «бульоне» мог вполне успешно развиваться процесс образо­вания более сложных органических молекул. Таким образом, воды первичного океана постепенно насыщались разнообразными орга­ническими веществами, образуя «первичный бульон». Насыщению такого «органического бульона» в немалой степени способствовала и деятельность подземных вулканов.

«Первичный бульон» и образование коацерватов. Дальнейший этап биогенеза связан с концентрацией органических веществ, воз­никновением белковых тел.

В водах первичного океана концентрация органических веществ увеличивалась, происходили их смешивание, взаимодействие и объ­единение в мелкие обособленные структуры раствора. Такие структу­ры можно легко получить искусственно, смешивая растворы разных белков, например желатина и альбумина. Эти обособленные в раство­ре органические многомолекулярные структуры выдающийся рус­ский ученый А.И. Опарин назвал коацерватными каплями или коацерватами. Коацерваты — мельчайшие коллоидальные частицы — капли, обладающие осмотическими свойствами. Коацерваты образу­ются в слабых растворах. Вследствие взаимодействия противополож­ных электрических зарядов происходит агрегация молекул. Мелкие сферические частицы возникают потому, что молекулы воды созда­ют вокруг образовавшегося агрегата поверхность раздела.

Исследования показали, что коацерваты имеют достаточно слож­ную организацию и обладают рядом свойств, которые сближают их с простейшими живыми системами. Например, они способны погло­щать из окружающей среды разные вещества, которые вступают во взаимодействие с соединениями самой капли, и увеличиваться в раз­мере. Эти процессы в какой-то мере напоминают первичную форму ассимиляции. Вместе с тем в коацерватах могут происходить процес­сы распада и выделения продуктов распада. Соотношение между этими процессами у разных коацерватов неодинаково. Выделяются отдельные динамически более стойкие структуры с преобладанием синтетической деятельности. Однако все это еще не дает основания для отнесения коацерватов к живым системам, потому что они лише­ны способности к самовоспроизведению и саморегуляции синтеза ор­ганических веществ. Но предпосылки возникновения живого в них уже содержались.

Коацерваты объясняют, как появились биологические мембраны. Образование мембранной структуры считается самым «трудным» этапом химической эволюции жизни. Истинное живое существо (в виде клетки, пусть даже самой примитивной) не могло оформиться до возникновения мембранной структуры и ферментов. Биологичес­кие мембраны — это агрегаты белков и липидов, способные отграни­чить вещества от среды и придать упаковке молекул прочность. Мем­браны могли возникнуть в ходе формирования коацерватов.

Повышенная концентрация органических веществ в коацерватах увеличивала возможность взаимодействия между молекулами и усложнения органических соединений. Коацерваты образовывались в воде при соприкосновении двух слабо взаимодействующих полиме­ров.

Кроме коацерватов в «первичном бульоне» накапливались полинуклеотиды, полипептиды и различные катализаторы, без которых невозможно образование способности к самовоспроизведению и об­мену веществ. Катализаторами могли быть и неорганические вещест­ва. Так, Дж. Берналом в свое время была выдвинута гипотеза о том, что наиболее удачные условия для возникновения жизни складыва­лись в небольших спокойных теплых лагунах с большим количеством ила, глинистой мути. В такой среде очень быстро протекает полиме­ризация аминокислот; здесь процесс полимеризации не нуждается в нагревании, так как частицы ила выступают в качестве своеобразных катализаторов.

Возникновение простейших форм живого. Главная проблема в учении о происхождении жизни состоит в объяснении возникнове­ния матричного синтеза белков. Жизнь возникла не тогда, когда образовались пусть даже очень сложные органические соединения, отдельные молекулы ДНК и др., а тогда, когда начал действовать механизм конвариантной редупликации. Именно поэтому заверше­ние процесса биогенеза связано с возникновением у более стойких коацерватов способности к самовоспроизведению составных частей, с переходом к матричному синтезу белка, характерному для живых организмов. В ходе предбиологического отбора наибольшие шансы на сохранение имели те коацерваты, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению.

Переход к матричному синтезу белков был величайшим качест­венным скачком в эволюции материи. Однако механизм такого пере­хода пока не ясен. Основная трудность здесь состоит в том, что для удвоения нуклеиновых кислот нужны ферментные белки, а для созда­ния белков — нуклеиновые кислоты. Как разорвать эту «замкнутую цепь»? Иначе говоря, нужно объяснить, как в ходе предбиологичес­кого отбора объединились способности к самовоспроизведению полинуклеотидов с каталитической активностью полипептидов в ус­ловиях пространственно-временного разобщения начальных и ко­нечных продуктов реакции.

Существуют разные гипотезы на сей счет, но все они так или иначе не полны. Однако в настоящее время наиболее перспективными здесь являются гипотезы, которые опираются на принципы теории самоорганизации, синергетики, на представления о гиперщпслах, т.е. системах, связывающих самовоспроизводящиеся (автокаталити­ческие) единицы друг с другом посредством циклической связи. В таких системах продукт реакции одновременно является и ее катали­затором или исходным реагентом. Потому и возникает|йвление само­воспроизведения, которое на первых этапах вовсе могло и не быть точной копией исходного органического образования. О трудностях становления самовоспроизведения свидетельствует само существо­вание вирусов и фагов, которые представляют собой, по-видимому, осколки форм предбиологической эволюции.

В последующем предбиологический отбор коацерватов, по-види­мому, шел по нескольким направлениям. Во-первых, в направле­нии выработки способности накопления специальных белковоподобных полимеров, ответственных за ускорение химических реак­ций. В результате строение нуклеиновых кислот изменялось в на­правлении преимущественного «размножения» систем, в которых удвоение нуклеиновых кислот осуществлялось с участием фермен­тов. На этом пути и возникает характерный для живых существ цик­лический обмен веществ.

Во-вторых, в системе коацерватов происходил и отбор самих нуклеиновых кислот по наиболее удачному сочетанию последова­тельности нуклеотидов. На этом пути формировались гены. Самовос­производящиеся системы со сложившейся стабильной последова­тельностью нуклеотидов в нуклеиновой кислоте уже могут быть на­званы живыми.

В проблеме возникновения жизни еще много неопределенного, она еще далека от своего окончательного разрешения. Так, напри­мер, не ясно, почему все белковые соединения, входящие в состав живого вещества, имеют только «левую симметрию». Какие механиз­мы предбиологической эволюции могли к этому привести?

Первые обитатели нашей планеты были гетеротрофами и питались за счет органических веществ, растворенных в первородном океане. Прогрес­сивное развитие первичных живых организмов обеспечило в дальнейшем такой огромный скачок, как возникновение аутотрофов, использующих солнечную энергию для синтеза органических соединений из простейших неорганических. Разумеется, не сразу возникло такое сложное соединение, как хлорофилл. Первоначально появились более простые пигменты, способ­ствовавшие усвоению прежде всего органических веществ.

Постепенно в первородном океане стали иссякать органические вещест­ва, накопившиеся в нем абиогенным путем. Появление аутотрофных орга­низмов, в первую очередь зеленых растений, обеспечило дальнейший непре­рывный синтез органических веществ, а следовательно, существование и дальнейшее развитие жизни.