§ 43. Основные гипотезы происхождения жизни
Биохимические гипотезы основываются на том, что жизнь на Земле возникла из неживой материи в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам. Как уже отмечалось, в настоящее время самозарождение живых организмов из неживой природы не представляется возможным. Однако не исключена возможность того, что в далеком прошлом, в условиях древней Земли жизнь могла возникнуть из химических соединений. Иными словами, появлению первых живых организмов мог предшествовать длительный этап химической эволюции.
Среди биохимических гипотез происхождения жизни первоочередного внимания заслуживает коацерватная гипотеза, которую в 1924 г. предложил русский биохимик А. И. Опарин. Несколько позже, независимо от него, аналогичное предположение выдвинул британский биолог Дж. Холдейн. Согласно гипотезе Опарина — Холдейна в процессе возникновения жизни на Земле можно выделить три основных этапа.
1. Синтез низкомолекулярных органических соединений из неорганических веществ. Астрономы и геологи оценивают возраст Земли примерно в 4,5 млрд лет. На ранних этапах развития нашей планеты температура ее поверхности была очень высокой. По мере остывания образовалась земная кора. Атмосфера древней Земли, по-видимому, не содержала кислорода и состояла из водяного пара, аммиака, углекислого газа, метана и других газообразных соединений. Со временем остывание планеты привело к конденсации паров воды и формированию первичного океана.
В то время наша планета не имела озонового экрана, поэтому на ее поверхность поступал интенсивный поток ультрафиолетового солнечного излучения. Именно оно, по мнению Опарина, служило главным источником энергии для синтеза органических веществ из неорганических. Кроме того, образование органических соединений могло происходить под действием электрических разрядов — молний, высокой температуры (вследствие выбросов в первичный океан и атмосферу раскаленных продуктов вулканической деятельности), радиоактивных излучений и т. д. Синтезирующиеся органические вещества (аминокислоты, моносахариды, спирты, карбоновые кислоты и др.) долгое время накапливались в первичном океане. Это привело к образованию так называемого первичного бульона, в котором впоследствии и зародилась жизнь.
*В 1953 г. американские ученые С. Миллер и Г. Юри создали установку, в которой можно было смоделировать условия древней Земли (рис. 43.3). «Первичный океан» в этом аппарате представляла вода. Ее нагревали, и в «атмосферу», состоящую из метана, аммиака и водорода, поступали водяные пары. Через газовую смесь, циркулирующую в установке, пропускали электрические разряды (аналоги молний).
Эксперимент длился неделю. После этого был проведен химический анализ, который показал, что за время опыта в аппарате образовались различные аминокислоты, моносахариды, липиды, предшественники нуклеотидов и некоторые другие органические вещества. Впоследствии многие исследователи повторяли подобный эксперимент с использованием различных газовых смесей и разных источников энергии. Результаты всех этих опытов были сходны с теми, которые получили Миллер и Юри. Таким образом, возможность синтеза низкомолекулярных органических веществ из неорганических в условиях, близких к условиям древней Земли, была подтверждена экспериментально.*
2. Образование биополимеров. Предполагается, что на этом этапе в первичном бульоне из низкомолекулярных органических веществ, таких как аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды, синтезировались соответствующие биополимеры — белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды. Опарин полагал, что главная роль в возникновении первых живых организмов принадлежала белкам. В растворах белки способны образовывать многомолекулярные комплексы, обособленные от окружающей их воды. Такие комплексы могут сливаться друг с другом, формируя сгустки — коацерваты (от лат. coacervus — сгусток).
Коацерваты обладали способностью поглощать из окружающего раствора различные вещества и за счет этого увеличиваться в размерах (подобие питания и роста). Крупные коацерваты могли дробиться с образованием мелких сгустков (подобие размножения). Однако коацерваты были лишены биологических мембран и не имели генетического аппарата, поэтому их не принято считать первыми живыми организмами.
3. Формирование первых живых организмов — протобионтов. К гидрофильным головкам липидов, покрывавших в виде пленки поверхность воды, способны притягиваться молекулы белков. При порывах ветра капли воды с содержащимися в них коацерватами могли отрываться от поверхности и снова падать в первичный бульон. Так, вероятно, образовались липидно-белковые мембраны, которые обладали избирательной проницаемостью и придавали коацерватам стабильность.
Дальнейшее объединение коацерватов с нуклеиновыми кислотами, по-видимому, и привело к формированию протобионтов — первых живых организмов, способных к саморегуляции и самовоспроизведению. Считается, что протобионты могли делиться (бесполое размножение) и избирательно поглощать из первичного бульона различные вещества, в том числе органические (гетеротрофное питание). Часть органических соединений они использовали в процессах пластического обмена (т. е. для роста), другие расщепляли в ходе энергетического обмена (анаэробное дыхание).