ГИПОТЕЗА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ АКАДЕМИКА 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.

1. 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 мегана - атмосфера. Такая атмосфера называется «вос­становительной», поскольку не содержит свободного кислорода. При падении температуры на поверхносм Земли ниже 100 "С 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.

2. 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 нуклсо гидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты).

3. 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.

4. 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. Пространственно обособившейся система коацервата оказались способной из окружающей среды различные органические вещества, что обеспечивало возможность первичного обмена веществ со средой.

5. 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.

6. 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.

7. 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 коацерватны^ структур в отсутствие систем, обеспечивающих генетическое кодирование. В рамках концепции Опарина не решена глаь-ная проблема - о движущих силах саморазвития химических систем и перехода от химической эволюции к биологической. о причине таинственного скачка от неживой материи к жит^ь

СПОРНЫЕ ВОПРОСЫ КОНЦЕПЦИЙ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ

Одним из наиболее сложных вопросов, связанных с происхождением жизни, является характеристика осо­бенностей доклеточного предка.

Хорошо известен факт, что для самопродук­ции нуклеиновых кислот (основы генетического кода) необходимы ферментные белки, а для синте­за белков - нуклеиновые кислоты. Отсюда следу­ют два вопроса:

1) что было первичным - белки или нуклеиновые КИСЛОТЫ?

2) если предположить, что эти классы полимеров возникли не одновременно, то как и когда произошло их Объединение в единую систему передачи генетической Информации?

. Белки в организме служат катализаторами проте­кающих биохимических реакций и являются клеточными структурными элементами. Они представляют собой цепочки аминокислот, удерживающихся пептидными связями. Из огромного арсенала аминокислот для образования животных и растительных белков природа использовала 20 типов. Разнообразие белков определяется РЛЗличчыми аминокислотами и последовательностью $ расположения в белковых цепях. Даже при полной идентичности состава и последовательности расположения аминокислот различия в пространственно!! структуре белков приводят к разнице в их физико-хи­мических свойствах. Белки живого происхождение имеют одинаковую изомерию, тогда как абиогенно по­лученные белки содержат равное количество возмож­ных пространственных структур.

Нужный в данный момент белок синтезируется клет­кой из запасенного материала с помощью системы вос­произведения, которая содержит в закодированном ви­де необходимую информацию. Свои функции систем;. воспроизведения осуществляет при помощи полимер­ных соединений дезоксирибонуклеиновой кислоть (ДНК) и рибонуклеиновой кислоты (РНК). ДНК явля ется хранительницей генетической информации, зало­женной в последовательность оснований, расположен­ных вдоль ее цепи. РНК способна считывать хранимую в ДНК информацию, переносить ее в среду с исходны­ми для синтеза белка материалами и строить из них нуж ные белковые молекулы.

Существует одно важное и пока не нашедшее объяс­нения различие в свойствах живого и неживого веществ.

В неживом веществе того же химического со­става, что и живое, не происходит поворот пло­скости поляризации проходящего через него света. А все белковые молекулы живых организмов по­ворачивают плоскость поляризации проходяще­го света влево, что указывает на их левую прост­ранственную конфигурацию (Ь-конфигурация). Молекулы ДНК и РНК поворачивают луч света вправо, то есть обладают правой или Р конфигу­рацией. Молекулярная стереоизомерия, или моле­кулярная хиральносгь, присуща только живой при­роде и является ее неотъемлемым свойством.

По отношению к первичности образования бел­ков или нуклеиновых кислот все существующие теории зарождения жизни делятся на две большие группы — голобиоза и генобиоза.

Концепция А. И. Опарина относится к группе голобиоза, поскольку исходит из идеи первичности структур типа клеточ­ной, наделенной способностью к элементарному обмену ве­ществ при участии ферментного механизма. Нуклеиновые кис­лоты при таком механизме появляются на завершающем этапе.

Примером иной точки зрения служит концепция Дж. Хол-дейна, согласно которой первичной была не структура, спо­собная к обмену веществ с окружающей средой, а макромо-декулярная система, подобная гену и способная к саморепро­дукции, и потому названная им «голым геном». Подобную группу концепций называют генобиозом или информацион­ной гипотезой.

Позиции гипотезы генобиоза заменю укрепились к 1970-м годам, а в 1980-е годы в представлениях о доклеточном пред­ке она стала доминирующей. Общее признание в рамках этой 'Гипотезы получила идея, согласно которой хирально чистыми молекулярными «блоками», составившими основу для зарож­дения живого, были макромолекулы ДНК или РНК.

 

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОИСХОЖДЕНИИ ЖИЗНИ: ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ

К концу 1980-х годов было доказано, что пер­вичной была молекула РНК, а не ДНК.

Оказалось, что РНК наделена такой же генетической Памятью, как и ДНК, и вопреки устоявшейся генетической догме возможен перенос генетической инфор­мации от РНК к ДНК при участии фермента, открыто­го в начале 1970-х годов. Была установлена способность РНК к саморепродукции в отсутствии белковых фер­ментов, то есть автокаталитическая функция.

Древняя РНК совмещала в себе черты генотипа и фенотипа, то есть была подвержена как гене­тическим преобразованиям, так и естественному отбору. А процесс эволюции шел от РНК к белку, затем к образованию молекулы ДНК, у которой С-Н связи более прочны, чем С-ОН связи РНК. Возникновение хиральности, а также первичных молекул РНК не могло произойти в ходе плавно­го эволюционного развития. Вероятно, имел ме­сто скачок со всеми характерными чертами само­организации вещества. Ведь полимеры на пути к живой клетке не могли идти путем простого пе­ребора вариантов, для такого перебора требуется время, превышающее время существования Все­ленной.

Гипотеза о механизме зарождения макромолекул, необхо­димых для строительства белка, высказана Эйгеном в работе «Самоорганизация материи в ходе химической эволюции» (1971). Эйген распространил на процессы, которые должны были происходить при эволюционном скачке, принцип дарви­новского отбора и ввел понятие конкуренции гиперциклов, или циклов химических реакций, которые приводят к образо­ванию белковых молекул. Циклы, работающие быстрее и эф­фективнее остальных, выживают и побеждают в конкурент­ной борьбе. Пищей служат молекулы мономеров, которые поглощаются при полимеризации или в ходе циклов реакций. В «первичном бульоне» присутствуют и катализаторы хими­ческих реакций, которые образуются в них как промежуточ­ные продукты, то есть возникает автокаталитическая самоор­ганизующаяся система.

Современная схема возникновения жизни на Земле выглядит следующим образом.

После того как образовался «первичный бульон» из углеродных соединений, появилась возможность образования биополимеров - нуклеиновых кислот и белков, обладающих свойствами самовоспроизводст­ва. В результате осаждения органических соединений на минеральных телах, например на глине дна водоемов, возникла концентрация, необходимая для образования полимеров. Вода в начальный период формирования нашей планеты непрерывно перемещала растворенные в ней вещества из мест образования в места накопле­ния, где формировались протобионты (системы органи­ческих веществ, способные расти и развиваться за счет поглощения из окружающей среды богатых энергией веществ).

Далее образовались микросферы, или коацерваты (сгустки органических веществ), между которыми вы­страивались молекулы сложных углеводородов, что Приводило к образованию примитивной клеточной Мембраны, обеспечивающей коацерватам стабиль­ность. Включение в коацерват молекулы, способной к самовоспроизведению, приводило к возникновению Примитивной клетки, которая могла расти. Мембраны располагались на поверхности клетки, а также много-Кратно прошивали ее насквозь в разных направлениях, образуя внутреннюю сеть мембран. На мембранах кон­центрировались абиогенно синтезированные фермен-^ТЬ1> что упорядочило обмен веществ в клетках. Он начал зависеть от свойств и порядка расположения ферментов ¹¹⁴ Мембранах. У нуклеиновых кислот, которые синте-^3иРовались абиогенно, еще не было однозначно задан­ных матриц, в соответствии с которыми каждая новая молекула нуклеиновых кислот копирует последова­тельность азотистых оснований молекулы-матрицы.

Отсутствие матричного принципа при образо­вании геномов первичных клеток давало возмож­ность каждой формировавшейся клетке иметь свой уникальный геном.

Строение молекул ДНК те первые клетки через ряд последующих поколений передали клеткам современ­ных организмов. Таким образом, современные клетки происходят из большого количества абиогенно сформи­ровавшихся прототипов.

Около 1 млрд лет назад содержание кислорода в воздухе Земли достигло 3 % от современного уровня, он начал окислять абиогенно образующие­ся вещества, что прекратило абиогенный синтез и прервало образование новых комбинаций азоти­стых оснований в ДНК клеток. После этого изме­нения в ДНК клеток происходили только путем мутаций.

Древнейшая жизнь, вероятно, существовала в каче­стве гетеротрофных бактерий, получавших пищу и энер­гию от органического материала абиогенного происхож­дения, образовавшегося на еще более ранней стадии эво­люции Земли. Исходя из этого, можно представить, что начало жизни на нашей планете отодвигается более чеу на 4 млпл лет назад, то есть жтпнь на Зсмле сушествует примерно столько же сколько существует сама планета.