Гипотеза биохимической эволюции

     Биохимические гипотезы (жизнь возникла в условиях Земли в ре зультате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам, т.е. в результате биохимической эволюции)

     Гипотеза  биохимической эволюции — жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам

     Гипотеза  биохимической эволюции. В 1924 г. биохимиком А. И. Опариным, а позднее английским ученым Дж. Холдейном (1929) была сформулировала гипотеза, рассматривающая жизнь как результат длительной эволюции углеродных соединений. 

              Современная теория возникновения  жизни на Земле, называемая  теорией биопоэза, была сформулирована в 1947 г. английским ученым Дж. Берналом.

     В настоящее время  в процессе становления  жизни условно  выделяют четыре этапа:

     1. Синтез низкомолекулярных  органических соединении (биологических мономеров) из газов первичной атмосферы.

     2. Образование биологических  полимеров. 

     3. Формирование фазообособленных систем органических веществ, отделенных от внешней среды мембранами (протобионтов).

     4. Возникновение простейших  клеток, обладающих  свойствами живого, в том числе  репродуктивным аппаратом,  обеспечивающим передачу  дочерним клеткам  свойств клеток родительских. 

               Первые три этапа относят к  периоду химической эволюции, а  с четвертого начинается эволюция  биологическая. 

               Рассмотрим более подробно процессы, в результате которых на Земле  могла возникнуть жизнь. Согласно  современным представлениям, Земля  сформировалась около 4,6 млрд. лет  назад. Температура ее поверхности  была очень высокой (4000—8000°  С), и по мере остывания планеты  и действия гравитационных сил  происходило образование земной  коры из соединений раз личных  элементов. 

               Процессы дегазации привели к  созданию атмосферы, обогащенной,  возможно, азотом аммиаком, парами  воды, углекислым и угарным газами. Такая атмосфера была, по-видимому, восстановительной, о чем свидетельствует  наличие в самых древних горных  породах Земли металлов в восстановленной  форме, таких, как, например, двухвалентное  железо. Важно отметить при этом, что в атмосфере имелись атомы  водорода, углерода, кислорода и  азота, составляющие 99% атомов, входящих  в мягкие ткани любого живого  организма. 

               Однако, чтобы атомы превратились в сложные молекулы, простых столкновений их было недостаточно. Нужна была дополнительная энергия, которая имелась на Земле как результат вулканической деятельности, электрических грозовых разрядов, радиоактивности, ультрафиолетового излучения Солнца. 

             Отсутствие свободного кислорода  было, вероятно, недостаточным условием  для возникновения жизни. Если  бы свободный кислород присутствовал  на Земле в добиотический период, то, с одной стороны, он окислял бы синтезирующиеся органические вещества, а с другой - образуя озоновый слой в верхних горизонтах атмосферы, поглощал бы высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение Солнца. В рассматриваемый период возникновения жизни, длившийся примерно 1000 млн. лет, ультрафиолет был, вероятно, основным источником энергии для синтеза органических веществ. 

            Из водорода, азота и соединений  углерода при наличии свободной  энергии на Земле должны были  возникать сначала простые молекулы (аммиак, метан и подобные простые  соединения). В дальнейшем эти  несложные молекулы в первичном  океане могли вступать в реакции  между собой и с другими  веществами, образуя новые соединения. 

            В 1953 году американский исследователь  Стенли Миллер в ряде экспериментов моделировал условия, существовавшие на Земле приблизительно 4 млрд. лет назад. 

     В 1953 г. Стэнли Миллер в ряде экспериментов  моделировал условия, предположительно существовавшие на первобытной Земле. В созданной им установке  ему  удалось синтезировать многие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряд аминокислот, аденин и простые сахара, такие как рибоза. После этого Орджел в Институте Солка в сходном эксперименте синтезировал нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты).

            Пропуская электрические разряды  через смесь аммиака, метана, водорода  и паров воды, он получил ряд  аминокислот, альдегидов, молочную, уксусную и другие органические  кислоты. Американский биохимик  Сирил Поннаперума добился образования нуклеотидов и АТФ. В ходе таких и аналогичных им реакций воды первичного океана могли насыщаться различными веществами, образуя так называемый «первичный бульон». 

            Второй этап состоял в дальнейших  превращениях органических веществ  и образовании абиогенным путем  более сложных органических соединений, в том числе и биологических  полимеров. 

            Американский химик С. Фокс  составлял смеси аминокислот,  подвергал их нагреванию и  получал протеиподобные вещества. На первобытной земле синтез белка мог проходить на поверхности земной коры. В небольших углублениях в застывающей лаве возникали водоемы, содержащие растворенные в воде малые молекулы, в том числе и аминокислоты. Когда вода испарялась или выплескивалась на горячие камни, аминокислоты вступали в реакцию, образуя протеноиды. Затем дожди смывали протеноиды в воду. Если некоторые из этих протеноидов обладали каталитической активностью, то мог начаться синтез полимеров, т. е. белковоподобных молекул. 

            Третий этап характеризовался  выделением в первичном «питательном  бульоне» особых коацерватных капель, представляющих собой группы полимерных соединений. Было показано в ряде опытов, что образование коацерватных суспензий, или микросфер, типично для многих биологических полимеров в растворе. Коацерватные капли обладают некоторыми свойствами, характерными и для живой протоплазмы, как, например, избирательно адсорбировать вещества из окружающего раствора и за счет этого «расти», увеличивать свои размеры. 

            Благодаря тому, что концентрация  веществ в коацерватных каплях была в десятки раз больше, чем в окружающем растворе, возможность взаимодействия между отдельными молекулами значительно возрастала. 

            Известно, что молекулы многих  веществ, в частности полипептидов  и жиров, состоят из частей, обладающих разным отношением  к воде. Гидрофильные части молекул,  расположенные на границе между  коацерватами и раствором, поворачиваются  в сторону раствора, где содержание  воды больше. Гидрофобные части  ориентируются внутрь коацерватов,  где концентрация воды меньше. В результате поверхность коацерватов  приобретает определенную структуру  и в связи с этим свойство  пропускать в определенном направлении  одни вещества и не пропускать  другие. Благодаря этому свойству  концентрация некоторых веществ  внутри коацерватов еще больше  возрастает, концентрация других  уменьшается, и реакции между  компонентами коацерватов приобретают  определенную направленность. Коацерватные капли становятся системами, обособленными от среды. Возникают протоклетки, или протобионты. 

             Важным этапом химической эволюции  явилось образование мембранной  структуры. Параллельно с появлением  мембраны шло упорядочение и  усовершенствование метаболизма.  В дальнейшем усложнении обмена  веществ в таких системах существенную  роль должны были играть катализаторы. 

            Одним из основных признаков  живого является способность  к репликации, т. е. созданию  копий, не отличаемых от материнских  молекул. Таким свойством обладают  нуклеиновые кислоты, которые  в отличие от белков способны  к репликации. В коацерватах мог  образовываться протеноид, способный катализировать полимеризацию нуклеотидов с образованием коротких цепочек РНК. Эти цепочки могли выполнять роль как примитивного гена, так и информационной РНК. В этом процессе не участвовали еще ни ДНК, ни рибосомы, ни транспортные РНК, ни ферменты белкового синтеза. Все они появились позже. 

            Уже на стадии формирования  протобионтов имел место, вероятно, естественный отбор, т. е. сохранение одних форм и элиминация (гибель) других. Так прогрессивные изменения в структуре протобионтов закреплялись благодаря отбору. 

            Появление структур, способных к  самовоспроизведению, репликации, изменчивости  определяет, по-видимому, четвертый  этап становления жизни. 

           Итак, в позднем архее (приблизительно 3,5 млрд. лет назад) на дне небольших  водоемов или мелководных, теплых  и богатых питательными веществами  морей возникли первые примитивные  живые организмы, которые по  типу питания были гетеротрофами,  т. е. питались готовыми органическими  веществами, синтезированными в  ходе химической эволюции. Способом  обмена веществ им служило,  вероятно, брожение — процесс  ферментативного превращения органических  веществ, в котором акцепторами  электронов служат другие органические  вещества. 

                Часть энергии, выделяемой в  этих процессах, запасается в  виде АТФ. Возможно, некоторые  организмы для жизненных процессов  использовали и энергию окислительно-восстановительных  реакций, т. е. были хемосинтетиками. 

                Со временем происходило уменьшение  запасов свободной органики в  окружающей среде и преимущество получили организмы, способные синтезировать органические соединения из неорганических. Таким путем, вероятно, около 2 млрд. лет назад возникли первые фототрофные организмы типа цианобактерий, способные использовать световую энергию для синтеза органических соединений из СО2 и Н2О выделяя при этом свободный кислород. 

             Переход к автотрофному питанию  имел большое значениё для  эволюции жизни на Земле не  только с точки зрения создания  запасов органического вещества, но и для насыщения атмосферы  кислородом. При этом атмосфера  стала приобретать окислительный  характер. 

               Появление озонового экрана защитило  первичные организмы от губительного  воздействия ультрафиолетовых лучей  и положило конец абиогенному  (небиологическому) синтезу органических  веществ. 

               Таковы современные научные представления  об основных этапах происхождения  и становления жизни в Земле.    

     <вверх>  

     «ПЕРВИЧНЫЙ  БУЛЬОН»  

     В 1923 г. российский учёный Александр Иванович Опарин предположил, что в условиях первобытной Земли органические вещества возникали из простейших соединений — аммиака, метана, водорода и воды. Энергия, необходимая для подобных превращений, могла быть получена или от ультрафиолетового излучения, или от частых грозовых электрических разрядов — молний. Возможно, эти органические вещества постепенно накапливались в Древнем океане, образуя первичный бульон, в котором и зародилась жизнь.  

                По гипотезе А. И. Опарина,  в первичном бульоне длинные  нитеобразные молекулы белков  могли сворачиваться в шарики, «склеиваться» друг с другом, укрупняясь. Благодаря этому они  становились устойчивыми к разрушающему  действию прибоя и ультрафиолетового  излучения. Происходило нечто  подобное тому, что можно наблюдать,  вылив на блюдце ртуть из разбитого градусника: рассыпавшаяся на множество мелких капелек ртуть постепенно собирается в капли чуть побольше, а потом — в один крупный шарик. Белковые «шарики» в «первичном бульоне» притягивали к себе, связывали молекулы воды, а также жиров. Жиры оседали на поверхности белковых тел, обволакивая их слоем, структура которого отдалённо напоминала клеточную мембрану. Этот процесс Опарин назвал коацервацией (от лат. соасеrvus — «сгусток»), а получившиеся тела — коацерватными каплями, или просто коацерватами. С течением времени коацерваты поглощали из окружавшего их  раствора всё новые порции вещества, их структура усложнялась до тех пор, пока они не превратились в очень примитивные, но уже живые клетки. 

     Теории  возникновения жизни 

     Среди астрономов, геологов и биологов принято  считать, что возраст Земли составляет примерно 4,5 – 5 млрд. лет.

     По  мнению многих биологов, в прошлом  состояние нашей планеты было мало похоже на нынешнее: вероятно температура  на поверхности была очень высокой (4000 - 8000°С), и по мере того, как Земля  остывала, углерод и более тугоплавкие  металлы конденсировались и образовали земную кору; поверхность планеты была, вероятно, голой и неровной, так как на ней в результате вулканической активности, подвижек и сжатий коры, вызванных охлаждением, происходило образование складок и разрывов.

     Полагают, что гравитационное поле еще недостаточно плотной планеты не могло удерживать легкие газы: водород, кислород, азот, гелий  и аргон, и они уходили из атмосферы. Но простые соединения, содержащие среди прочих эти элементы (вода, аммиак, CO2 и метан). До тех пор, пока температура Земли не упала ниже 100°C, вся вода находилась в парообразном состоянии. Атмосфера была, по видимому, «восстановительной», о чем свидетельствует  наличие в самых древних горнах породах металлов в восстановленной  форме (например, двухвалентное железо). Более молодые породы содержат металлы  в окисленной форме (Fe3+ ). Отсутствие кислорода, вероятно, было необходимым условием для возникновения жизни; как показывают лабораторные опыты, органические вещества (основа жизни) гораздо легче образуются в атмосфере бедной кислородом.

     В 1923 г. А.И. Опарин, исходя из теоретических  соображений, высказал мнение, что органические вещества, возможно углеводороды, могли  создаваться в океане из более  простых соединений. Энергию для  этих процессов поставляла интенсивная  солнечная радиация, главным образом  ультрафиолетовое излучение, падавшее на Землю до того, как образовался  слой озона, который стал задерживать  большую ее часть. По мнению Опарина, разнообразие находившихся в океанах  простых соединений, площадь поверхности  Земли, доступность энергии и  масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался  «первичный бульон», в котором могла  возникнуть жизнь.

     Позднее возникло предположение, что в первичной  атмосфере в относительно высокой  концентрации содержалась двуокись углерода. Недавние эксперименты, проведенные  с использованием установки Миллера, в которую поместили смесь CO2 и H2O, и только следовые количества других газов, дали такие же результаты, какие  получил Миллер. Теория Опарина завоевала  широкое признание, но она не решает проблемы, связанные с переходом  от сложных органических веществ к простым живым организмам. Именно в этом аспекте теория биохимической эволюции представляет общую схему, приемлемую для большинства биологов.

     Опарин  полагал, что решающая роль в превращении  неживого в живое принадлежала белкам. Благодаря амфотерности белков они способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов – притягивают к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от водной фазы, в которой они суспендированы, и образовывать своего рода эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом приводит к отделению коллоидов от среды – процесс, называемый коацервацией. Богатые коллоидами коацерваты, возможно, были способны обмениваться с окружающей средой веществами и избирательно накапливать различные соединения, особенно кристаллоиды. Коллоидный состав данного коацервата, очевидно, зависел от состава среды.   Разнообразие состава «бульона» в разных местах вело к различиям в составе коацерватов и поставляло таким образом сырье для «биохимического естественного отбора».

     Предполагается, что в самих коацерватах входящие в их состав вещества вступали в  дальнейшие химические реакции; при  этом происходило поглощение коацерватами ионов металлов и образование  ферментов. На границе между коацерватами и средой выстраивались молекулы липидов, что приводило к образованию  примитивной клеточной мембраны, обеспечивавшей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват  предсуществующей молекулы, способной к самовоспроизведению и внутренней перестройки покрытого липидной оболочкой коацервата, могла возникнуть первичная клетка. Увеличение размеров коацерватов и их фрагментация, возможно, вели к образованию идентичных коацерватов, которые могли поглощать больше компонентов среды, так, что этот процесс мог продолжаться. Такая предположительная последовательность событий должна была привести к появлению примитивного самовоспроизводящегося гетеротрофного организма, питавшегося органическими веществами первичного бульона.

     Хотя  эту гипотезу происхождения жизни  признают очень многие ученые, у  некоторых она вызывает сомнения из-за большого количества допущений  и предположений.  Астроном Фред Хойл недавно высказал мнение, что мысль о возникновении жизни в результате описанных выше случайных взаимодействий молекул «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке Боинга-747».

     Самое трудное для этой теории – объяснить  появление способности живых  систем к самовоспроизведению. Гипотезы по этому вопросу пока малоубедительны.

     Наиболее  распространенной и признаваемой в  научной среде является гипотеза биохимической эволюции, один из представителей которой, известный отечественный  ученый А.И. Опарин, выдвинул идею о  том, что жизнь на Земле представляет собой естественный результат длительного  прогрессивного, или восходящего  развития материи от низших и простых  форм к более высоким и сложным. Вспомним, одной их характерных особенностей современного естествознания является синергетика — теория самоорганизации различных материальных систем. В свете синергетики материя способна не только к самоупрощению, деградации и распаду, но и к самоусложнению, или саморазвитию. Следуя синергетическому видению природы, вполне возможно предположить, что в результате длительной эволюции (протяженностью в сотни миллионов лет) из неорганических веществ путем постепенного самоусложнения возникли более сложные — органические (углеродосодержащие) соединения, которые, в свою очередь, путем дальнейшего длительного самоусложнения привели к появлению первых простейших форм жизни, эволюционировавших далее к более развитым и сложным ее формам. Таким образом, согласно гипотезе биохимической эволюции, жизнь на Земле возникла из неживого вещества. Возникает вопрос: чем отличается это предположение от рассмотренной выше гипотезы абиогенеза, которая также утверждает, что живое естественным образом происходит от неживого? Вспомним, в гипотезе абиогенеза речь идет о том, что жизнь самопроизвольно возникает из неживых объектов: во-первых, многократно, а, во-вторых, в течение незначительного периода времени (например, за несколько дней). По гипотезе биохимической эволюции живое также появляется из неживого, но, во-первых, единожды, или однократно, а, во-вторых, это происходит медленно и постепенно, на протяжении сотен миллионов лет.

     Несмотря  на широкое распространение гипотезы биохимической эволюции в научной  среде, она разделяется далеко не всеми учеными. В качестве основного аргумента ее противники подчеркивают неизмеримо более высокий и качественно новый уровень организации живой природы по сравнению с неживой, в силу которого первая не сводима ко второй, и не выводится из нее. Также они справедливо указывают на то, что гипотеза биохимической эволюции, по большому счету, не объясняет, как произошел качественный скачок от неживого к живому. Так один из основоположников современной молекулярной биологии, английский ученый Фрэнсис Крик на Бюраканском симпозиуме в сентябре 1971 г. сказал: «Мы не видим пути от первичного бульона до естественного отбора. Можно прийти к выводу, что происхождение жизни — чудо, но это свидетельствует только о нашем незнании». Здесь необходимо уточнить, что «первичным бульоном», в котором могла возникнуть жизнь, согласно гипотезе биохимической эволюции, обозначается совокупность органических веществ, накопившихся в древних океанах Земли.