Теории происхождения жизни

Жизнь — одно из сложнейших явлений природы. Со времен глубокой древности она казалась таинственной и непознаваемой —  вот почему по вопросам ее происхождения  всегда шла острая борьба между материалистами и идеалистами. Приверженцы идеалистических  взглядов считали (и считают) жизнь духовным, нематериальным началом, возникшим в результате божественного творения. Материалисты же, напротив, полагали, что жизнь на Земле могла возникнуть из неживой материи путем самозарождения (абиогенез) или занесения из других миров, т.е. является порождением других живых организмов (биогенез).

По современным  представлениям, жизнь — это процесс  существования сложных систем, состоящих  из больших органических молекул  и неорганических веществ и способных  самовоспроизводиться, саморазвиваться и поддерживать свое существование в результате обмена энергией и веществом с окружающей средой.

С накоплением  человеком знаний об окружающем мире, развитием естествознания изменялись взгляды на происхождение жизни, выдвигались новые гипотезы. Однако и сегодня вопрос о происхождении жизни еще окончательно не решен. Существует множество гипотез происхождения жизни. Наиболее важными из них являются следующие:

коацерватная и  генетическая.

Коацерватная гипотеза. В 1924 г. А. И. Опарин впервые сформулировал основные положе­ния концепции предбиологической эволюции и затем, опираясь на эксперименты Бунген­берга де Йонга, развил эти положения в коацерватной гипотезе проис­хождения жизни. Ос­нову гипотезы составляет утверждение, что начальные этапы биогенеза были связаны с формированием бел­ковых структур.

Первые белковые структуры (протобионты, по терминологии Опарина) появились в период, когда молекулы белков отграни­чивались от окружающей среды мембраной. Эти структуры  могли возникнуть из первичного «бульона» благодаря коацервации — самопроизвольному разделению водного раствора поли­меров на фазы с различной их концентрацией. Процесс коацервации приводил к образованию микроскопических капе­лек с вы­сокой концентрацией полимеров. Часть этих капелек поглощали из среды низ­комолекулярные соединения: ами­нокислоты, глюко­зу, примитивные катализаторы. Взаимодействие молекулярного субстрата и катализаторов уже означало возникновение простей­шего метаболизма внутри протобион­тов.

Обладавшие метаболизмом капельки включали в себя из окружающей среды новые соеди­нения и увеличивались в объеме. Когда коацерваты достигали размера, макси­мально допус­тимого в данных физических условиях, они распадались на более мел­кие капельки, напри­мер, под действием волн, как это происхо­дит при встряхивании сосуда с эмульсией масла в воде. Мел­кие капельки вновь продолжали расти и затем образовывать новые поколения коацерватов.

Постепенное усложнение протобионтов осуществлялось от­бором таких коацерват­ных ка­пель, которые  обладали преиму­ществом в лучшем использовании вещества и энергии среды. Отбор как основная причина совершенствования коацерватов до первич­ных живых существ — центральное положение в гипотезе Опарина.

Генетическая гипотеза. Согласно этой гипотезе, вначале возникли нуклеиновые кислоты как матричная основа синтеза белков. Впервые ее выдвинул в 1929 г. Г. Мёллер.

Экспериментально  доказано, что несложные нуклеиновые  кислоты могут реплици­роваться и без ферментов. Синтез бел­ков  на рибосомах идет при участии  транспортной (т-РНК) и рибо­сомной РНК (р-РНК). Они способны строить не просто случайные соче­тания аминокислот, а упорядоченные полимеры белков. Возможно, первичные рибо­сомы состояли только из РНК. Такие безбелковые рибосомы могли синтезировать упоря­доченные пептиды при уча­стии молекул т-РНК, которые свя­зывались с р-РНК через спа­ривание оснований.

На следующей стадии химической эволюции появились мат­рицы, определявшие последова­тельность  молекул т-РНК, а тем самым и  последовательность аминокислот, которые  связы­ваются молекулами т-РНК.

Способность нуклеиновых  кислот служить матрицами при  образовании компле­ментарных цепей (например, синтез и-РНК на ДНК) —  наиболее убедительный аргумент в пользу пред­ставлений о ведущем значении в процессе биогенеза наслед­ственного ап­парата и, следова­тельно, в пользу генетической гипотезы происхождения жизни.

Основные этапы  биогенеза. Процесс биогенеза включал  три основных этапа: воз­никновение органических веществ, появле­ние сложных  полимеров (нуклеиновых кислот, белков, поли­сахаридов), образование первичных живых организмов.

Первый этап — возникновение  органических веществ. Уже в период формирования Земли образовался  значительный запас абиогенных органических соединений. Исход­ными для их синтеза  были газообразные продукты докислородной атмосферы и гидро­сферы (СН4, СО2, H2О, Н2, NH3, NО2). Именно эти продукты используются и в искус­ственном синтезе орга­ни­ческих соединений, составляющих биохимическую основу жизни. Экспериментальный

синтез белковых компонентов  — аминокислот в попытках создать живое «в про­бирке» на­чался с работ С. Миллера (1951—1957). С. Миллер провел серию опытов по воздействию искровыми электрическими разрядами на смесь га­зов СН4, NH3, H2 и па­ров воды, в резуль­тате чего обнаружил аминокислоты аспарагин, глицин, глутамин. По­лученные Милле­ром данные подтвердили советские и зарубежные ученые.

Наряду с синтезом белковых компонентов экспериментально синтезированы нук­леиновые компоненты — пуриновые и пиримидиновые  основания и сахара. При умерен­ном нагрева­нии смеси цианистого водорода, аммиака и воды Д. Оро получил аденин. Он же синтезиро­вал урацил при взаимодействии аммиачного раствора мочевины с соедине­ниями, возни­кающими из простых газов под влиянием электрических разрядов. Из смеси метана, ам­миака и воды под действием ионизирующей радиации обра­зовывались угле­водные компо­ненты нуклеотидов — рибоза и дезоксирибоза. Опыты с применением ультрафиолетового облуче­ния показали возможность синтеза нуклеотидов из смеси пу­риновых оснований, ри­бозы или дезоксирибозы и полифос­фатов. Нуклеотиды, как из­вестно, являются мономерами нуклеи­новых кислот.

Второй этап — образование  сложных полимеров. Этот этап возникновения  жизни характе­ризовался абиогенным синтезом полимеров, подобных нуклеиновым  кислотам и белкам.

С. Акабюри впервые  синтезировал полимеры протобелков  со случайным располо­жением аминокислотных остатков. Затем на куске вулканической  лавы при нагревании смеси ами­нокислот до 100°С С. Фоке получил полимер с  молекулярной массой до 10000, содержащий все включенные в опыт типичные для белков аминокислоты. Этот полимер Фоке назвал протеиноидом.

Искусственно созданным  протеиноидам были характерны свой­ства, присущие бел­кам со­временных организмов: повторяющая­ся последовательность аминокислотных ос­татков в первичной структуре и заметная ферментативная активность.

Полимеры из нуклеотидов, подобные нуклеиновым кислотам организмов, были синтезиро­ваны в лабораторных условиях, не воспроизводимых в природе. Г. Корнберг показал воз­можность синтеза нуклеиновых кислот in vitro; для этого требовались специ­фические фер­менты, которые не могли присутствовать в условиях примитивной Земли.

В начальных процессах  биогенеза большое значение имеет химический отбор, ко­торый яв­ляется фактором синтеза простых и сложных соединений. Одной из предпосы­лок химиче­ского син­теза выступает способность атомов и молекул к избирательности при их взаимо­действиях в реакциях. Например, галоген хлор или неорганические ки­слоты предпочитают соединяться с лег­кими металлами. Свойство избирательности оп­ределяет способ­ность мо­лекул к самосборке, что было показано С. Фоксом в сложных макромолекул характеризуется строгой упорядоченностью, как по числу мономеров, так и по их пространствен­ному распо­ложению.

Способность макромолекул к самосборке А. И. Опарин рас­сматривал  в качестве доказатель­ства выдвинутого  им положе­ния, что белковые молекулы коацерватов могли синтезиро­ваться и без матричного кода.

Третий этап — появление первичных живых организмов. От простых углеродистых соеди­нений химическая эволюция при­вела к высокополимерным молекулам, которые составили основу формирования примитивных живых существ. Переход от хими­ческой эволюции к биологической характеризовался появлением новых качеств, отсутствующих на химическом уровне развития материи. Главными из них были внутренняя организация протобионтов, приспособленная к окружающей среде благодаря ус­тойчивому обмену веществ и энергии, наследование этой орга­низации на основе репликации генетического аппарата (матрич­ного кода).

А. И. Опарин с сотрудниками показал, что устойчивым обме­ном веществ  с окру­жающей средой обладают коацерваты. При определенных условиях концентрированные  водные рас­творы полипептидов, полисахаридов и РНК образуют коацерватные капельки объемом от 10-7 до 10-6 см3, которые имеют границу раздела с водной средой. Эти ка­пельки обладают способностью ассимилировать из окружающей среды вещества и син­тези­ровать из них но­вые соединения.

Так, коацерваты, содержащие фермент гликогенфосфорилазу, впитывали из рас­твора глю­козо-1-фосфат и синтезировали поли­мер, сходный с крахмалом.

Подобные коацерватам  самоорганизующиеся структуры опи­сал  С. Фоке и назвал их микро­сферами. При  охлаждении на­гретых концентрированных растворов протеиноидов самопро­из­вольно возникали сферические капельки диаметром около 2 мкм. При опреде­ленных зна­чениях рН среды микросферы образо­вывали двухслойную оболочку, напоми­нающую мем­браны обычных клеток. Они обладали также способностью делиться почко­ва­нием.

Хотя микросферы не содержат нуклеиновых кислот и в  них отсутствует ярко выра­женный  метаболизм, они рассматри­ваются в  качестве возможной модели первых само­организую­щихся структур, напоминающих примитивные  клетки.

Клетки — основная элементарная единица жизни, способная  к размножению, в ней проте­кают все главные обменные про­цессы (биосинтез, энергетический обмен и  др.). Поэтому воз­никновение клеточной  организации означало появление  подлин­ной жизни и начало био­логической эволюции. 
 
 

Одна из них (аутогенная гипотеза) предполагает, что эукарио-тическая клетка

воз­никла пу­тем дифференциации исходной прокариотической клетки. Вначале

развился мембранный комплекс: образовалась наружная клеточная  мембрана с

впячиваниями внутрь клетки, из которой сформировались отдельные струк­туры,

давшие начало кле­точным органоидам. От какой именно группы прокариот

возникли эукариоты, сказать невозможно.

Другую гипотезу (симбиотическую) предложила недавно  аме­риканский ученый

Маргулис. В ее обоснование она положила новые открытия, в частности

обнаружение у пластид  и мито-хондрий внеядерной ДНК  и способности этих

органелл к само­стоятель­ному делению. Л. Маргулис предполагает, что  эукарио-

тическая клетка возникла вслед­ствие нескольких актов симбиогенеза. Вначале

произошло объединение  крупной амебо­видной прокариотной клетки с мелкими

аэробными бактериями, кото­рые превратились в митохондрии. Затем эта

сим­биотическая прокариотная клетка включила в себя спиро­хетоподобные

бак­терии, из кото­рых сформировались кинетосомы, центросомы и жгу­тики.

После обособления  ядра в цито­плазме (признак эука­риот) клетка с этим

набором органелл оказалась  исходной для образо­вания царств грибов и

животных. Объединение  прокариотной клетки с цианеями привело к образованию

пластидной клетки, что дало начало формированию царства  растений. Ги­по­теза

Маргулис разделяется  не всеми и подвергается критике. Большинство авторов

придер­живается аутогенной гипотезы, бо­лее соответствующей дарвиновским

принципам монофи­лии, диф­ференциации и услож­нения организации в ходе

прогрессивной эволюции.

В эволюции одноклеточной  организации выделяются проме­жуточные ступени,

свя­занные с усложнением  строения орга­низма, совершенствованием

генетического аппарата и способов размножения.

Самая примитивная  стадия — агамная прокариотная —  пред­ставлена цианеями

и бакте­риями. Морфология этих организмов наиболее проста в  сравнении с другими

одно­клеточ­ными (простей­шими). Однако уже на этой стадии появляется

дифферен­циация на цито­плазму, ядерные элементы, базальные зерна,

цитоплазматическую  мембрану. У бак­терий из­вестен  обмен гене­тическим

материалом посредством  конъюгации. Большое раз­нооб­разие видов бактерий,

способность существовать в самых раз­ных условиях среды  свидетельствуют о