Проблема происхождения жизни

Исходной  гипотезой современной теории происхождения  жизни является абиогенез - идея о  происхождении живого из неживого. Известен целый ряд реакций, посредством которых можно получить органические вещества из неорганических. Американский химик М.Калвин экспериментально показал, что излучение с высокой энергией, например, космические лучи или электрические разряды, могут способствовать образованию органических соединений из простых неорганических компонентов. В 1953 американские химики Г.Юри и С.Миллер обнаружили, что некоторые аминокислоты, например глицин и аланин, и даже более сложные вещества могут быть получены из смеси паров воды, метана, аммиака и водорода, через которую всего лишь в течение недели пропускают электрические разряды.

Спонтанное  зарождение живых организмов в той  обстановке, которая существует на Земле в настоящее время, в  высшей степени маловероятно, однако оно вполне могло произойти в  прошлом. Все дело в различии условий, существовавших тогда и сейчас.  

В настоящее  время широкое признание получила гипотеза, сформулированная советским  ученым акад. А. И. Опариным и английским ученым Дж. Холдейном. Она исходит  из предположения о постепенном  возникновении жизни на Земле  из неорганических веществ путем длительной абиогенной (небиологической) молекулярной эволюции. Взгляды этих ученых представляют собой обобщение доказательств возникновения жизни на Земле в результате закономерного процесса перехода химической формы движения материи в биологическую (образование простых органических соединений.) Для обоснования этого они рассматривают условия, существовавшие на планете несколько миллиардов лет назад: на начальных этапах своей истории Земля представляла раскаленную планету. Вследствие вращения при постепенном снижении температуры атомы тяжелых элементов перемещались к центру, а на поверхности концентрировались атомы легких элементов (водорода, углерода, кислорода, азота). При дальнейшем охлаждении планеты появились химические соединения: метан, углекислый газ, аммиак, цианистый водород,  кислород, азот и д.р. Физические  и химические свойства воды и углерода позволили именно им выделится и оказаться у колыбели жизни. На этих начальных этапах сложилась и первичная атмосфера, которая носила восстановительный характер, после на ее месте образовалась вторая атмосфера, состоящая из наиболее химически активных газов. Через эту атмосферу легко проникала коротковолновая ультрафиолетовая часть солнечного излучения, которая сейчас задерживается в верхних слоях атмосферы озоном. Дальнейшее снижение температуры обусловило переход ряда газообразных соединений в жидкое и твердое состояние, т.е. образование земной коры. В результате активной вулканической деятельности из внутренних слоев Земли на поверхность выносилось много раскаленной массы, содержащей углерод. В насыщенной водяными парами нагретой атмосфере были нередки электрические разряды. В этих условиях мог произойти и, по-видимому, произошел абиогенный синтез ряда органических соединений. В океанах постепенно накопились органические вещества и образовался, по выражению Опарина, "первичный бульон", в котором затем возникла жизнь.

В "первичном  бульоне" происходили процессы полимеризации. Коацерваты (коацерватные капли) - открытые системы, состоящие из различных  высокополимерных соединений, в которых  концентрация полимеров была выше, чем в окружающей среде. Коацерватные капли могли самопроизвольно  расти, делиться и обмениваться веществом  с окружающей их жидкостью через  уплотненную поверхность раздела  и даже размножаться - капли, ставшие  большими, делились на две или больше частей. Такие образования А.И.Опарин называет "протобионтами", т.е. предшественниками  живых организмов.

В это  же время молекулы органических веществ  гидратировались, взаимодействуя с  молекулами воды, слипались вместе, захватывали различные вещества, в них образовывались биокатализаторы, придающие им определенную устойчивость. Происходил "естественный отбор" на уровне коацерватов. Но это еще были не живые организмы, отсутствовало важнейшее свойство, характерное для живых организмов - воспроизведение себе подобных. Американский биохимик Т.Чек открывает рибозимы - молекулы РНК, обладающие каталитической активностью. Была доказана возможность спонтанного образования на матричных РНК, РНК-копий.

На следующем  этапе впервые появилась возможность  для эволюции на уровне молекул, те молекулы РНК, которые придавали  устойчивость коацерватам и были способны к самокопированию - размножаются, за счет мутационного процесса происходит их изменение и естественный отбор  сохраняет наиболее удачные полирибонуклеотиды.

Дальше  происходило взаимодействие РНК  с определенными аминокислотами, появлялись РНК, кодирующие полезные для  себя полипептиды, так появился белковый синтез, контролируемый РНК. За счет соединения РНК, кодирующих различные полипептиды, происходило образование крупных  РНК, состоящих из нескольких генов. В дальнейшем преимущества получили ДНК: их двухцепочечное строение обеспечивает более точную репликацию и репарацию.

Таким образом, основное положение теории абиогенеза заключается в том, что живые  организмы произошли из неживой  природы (абиогенный процесс), причем биологической  эволюции предшествовал длительный период химической эволюции − период образования и усложнения молекул  органических соединений.

 Это  был естественный процесс, связанный  с притоком энергии, который  проходил в специфических условиях, отсутствующих сейчас на Земле. 

В 1953 г. Стенли Миллер воспроизвел в колбе газовый  состав первичной атмосферы Земли (исходя из состава современных вулканических  газов), и при помощи электрических  разрядов, имитирующих грозы, синтезировал в ней ряд органических соединений - в том числе аминокислоты. Отечественные ученые А.Г.Пасынский и Т.Е.Павловская получили сходные результаты с помощью энергии ультрафиолетовых лучей. Таким образом экспериментально было доказан абиогенный синтез всех важнейших биологических мономеров: аминокислот, азотистых оснований, сахаров, жирных кислот который происходил на первом этапе зарождения жизни на Земле. Через некоторое время С. Фоксу удалось соединить аминокислоты в короткие нерегулярные цепи - безматричный синтез полипептидов; подобные полипептидные цепи были потом реально найдены, среди прочей простой органики, в метеоритном веществе.

Итак, опыт Миллера доказал, что органические вещества могли образоваться на первобытной  Земле без участия живых организмов. В отсутствии кислорода, который  мог бы их разрушить, а также бактерий и грибов, которые использовали бы их в качестве пищи, эти вещества действительно должны были накапливаться  в первобытном океане до консистенции бульона.

 При  нагревании сухой смеси аминокислот  получают цепи аминокислот, которые  были названы протеноидами (т.е.  белкоподобными веществами). Некоторые  протеноиды способны, подобно ферментам,  катализировать определенные химические  реакции; возможно, именно эта  способность была главной чертой, определившей их последующую  эволюцию вплоть до возникновения  настоящих ферментов.

 Смешанные  в воде разные виды полимеров  могли объединиться и образовать  более крупные структуры. Чтобы  превратиться в клетку, этот агрегат  должен был обладать хотя бы  зачатками свойств клетки: наличие  липидно-белковой мембраны, отделяющей  клетку от окружающей среды  и осуществляющей обмен различными  веществами между клеткой и  средой, белков, способствующих этому  обмену со средой, выполняющих  роль структурных белков и  катализирующих бесчисленные биохимические  реакции в клетке, и нуклеиновых  кислот, содержащих информацию для  синтеза совершенно определенных белков. Эти агрегаты действительно обнаруживают какие-то следы всех упомянутых признаков.

А не могла  ли возникнуть жизнь в холодных газопылевых  облаках в далеком космосе, ведь и там обнаружены органические соединения - синильная кислота, формальдегид, метиламин, спирты? В Галактике температура  очень низка (~3К), поэтому реакции  образования полимеров идут очень  медленно. Кроме того, сказывается  отсутствие воды, которая служит катализатором  реакций. На метеоритах находят аминокислоты, но опять же отсутствие воды не приводит к дальнейшей химической эволюции.

Поэтому для осуществления абиогенеза необходима планета, но не любая, а на которой  есть вода. Значит, эта планета должна быть теплая (0-100С) и окруженная атмосферой.

Как долго  должны существовать эти условия? Земля  существует около 4.5 млрд. лет, а научные  исследования показывают, что уже 3.5 млрд. лет тому назад жизнь на планете существовала. Итак, для  зарождения жизни потребовался примерно 1 млрд. лет.

 Обязательно  ли должна быть вода и углерод? 

Живые организмы  состоят из ограниченного числа  химических элементов - углерода, кислорода, азота, фосфора, водорода, серы, калия, кальция и магния.

Как известно из химии, между кремнием и углеродом  есть химическое сходство, поэтому  можно предположить возможную замену С на Si в химических соединениях, входящих в состав живого вещества, но соединения Si и Н (аналоги углеводородов) неустойчивы при нормальных температурах. Из этого следует, что замена углерода на кремний маловероятна для возникновения  жизни.

Посмотрим, что получится при замене кислорода  на аминогруппу (=NH) в органической молекуле, т.е. при замене воды на жидкий аммиак. Но аммиак как жидкость существует в очень узком температурном  диапазоне: от -77.7 до -33.4ºС, кроме того, современные исследования показывают, что в этом случае для деятельности клеточных мембран потребуются соединения CsCl и RbCl, а элементы Cs и Rb очень редко встречаются в космосе, поэтому и возникновение таких форм жизни маловероятно.

Можно рассмотреть  еще одну возможную замену водорода на галогены F или Cl. Но эти химические элементы также мало распространены в космосе, а водород - основной элемент  Вселенной. Поэтому галоген-углеродная форма жизни также маловероятна.

 Таким  образом, углерод и водород  – основные элементы, участвовавшие  в возникновении первых живых  организмов.

При наличии  атмосферы, гидросферы и Солнца на ранней Земле из водорода, метана и аммиака  под воздействием ультрафиолетового  излучения Солнца было возможно образование  в воде аминокислот, оснований нуклеиновых  кислот, сахаров и других биологически важных молекул.

В 1964г. американский астрофизик К.Саган показал, что  за 1 млрд. лет на 1см² Земли могло накопиться до сотен килограммов амино- и органических кислот, необходимых для дальнейшего производства клетки.

На сегодня  есть указания, что ранняя атмосфера  за счет фотохимических процессов стала  окислительной, т.е. в ней появился свободный кислород. Такой состав атмосферы не очень благоприятен для синтеза аминокислот (по концепции  Миллера, в окрестностях вулканов облака дыма и пара могли служить защитой  для молекул метана и аммиака).

 Поэтому  появилось предположение, что  жизнь возникла на океанских  глубинах. В настоящее время в  океане на больших глубинах (>2.5км) обнаружены гидротермальные источники  с экологическими сообществами  из бактерий, червей и моллюсков.  Глубже 200-300 м от поверхности океана  уже слишком темно, чтобы проходил  фотосинтез (т.е. превращение окиси  углерода в углеводороды).

Источником  энергии для прохождения химических реакций являются соединения серы (главным  образом, сероводород), выбрасываемые  гидротермальными водами. Действительно, существуют бактерии, которые получают энергию за счет окисления сероводорода, а эта энергия тратится на превращение СО₂ в органические соединения.

Ряд ученых считает, что живые существа возникали  и на земной поверхности, и вблизи поверхности, а затем занимали водные глубины. Разрушительные удары из космоса (падение огромных метеоритов) или  ледниковые периоды могли уничтожить все живое на Земле, за исключением  организмов, населяющих относительно глубоководные ареалы.

Д.Бернал (1901-1971) предположил, что образование  первых органических веществ могло  происходить не в гидросфере Земли, а в результате конденсации газов  на поверхности твердых частиц (железа и силикатной пыли)

Теория  Г.Вехтершейзера заключается в  том, что жизнь возникла как метаболический процесс - циклическая химическая реакция, осуществляющаяся за счет притока энергии  извне на поверхности твердой  фазы. В качестве базового материала  выступает минерал пирит (FeS₂). Поверхность кристалла пирита несет положительный электрический заряд и с ней могут связываться молекулы органических веществ; при образовании пирита из железа и серы выделяются электроны и энергия, что побуждает органические соединения реагировать друг с другом, образуя все более сложные соединения. По мнению других ученых, твердым субстратом служили не кристаллы пирита, а кристаллические глины.

Но все  теории абиогенеза основаны на том, что  химическая эволюция должна была пройти два этапа:

• 1 этап - синтез исходных органических соединений;
• 2 этап - формирование биополимеров, липидов, углеводородов.

И все  же, все это только теории, и реальные успехи, достигнутые в рамках концепции  абиогенеза, исчерпываются только несколькими  опытами Миллера и Фокса, - если не считать того, что было ясно осознано по крайней мере одно фундаментальное  ограничение на возможность синтеза "живых" (т.е. биологически активных) макромолекул из более простых органических "кирпичиков".

Дело  в том, что многие органические соединения представляют собой смесь двух так  называемых оптических изомеров - веществ, имеющих совершенно одинаковые химические свойства, но различающихся так называемой оптической активностью. Они по-разному  отклоняют луч поляризованного  света, проходящий через их кристаллы  или растворы, и в соответствии с направлением этого отклонения называются право- или левовращающими; свойством этим обладают лишь чистые изомеры, смеси же их оптически неактивны. Явление это связывают с наличием в молекуле таких веществ так  называемого асимметричного атома  углерода, к четырем валентностям которого могут в разном порядке  присоединяться четыре соответствующих  радикала. Так вот, эти химически  идентичные вещества, как выяснил  еще в 1848 г. Л. Пастер, вовсе не являются таковыми для живых существ: плесневый гриб пенициллиум, развиваясь в среде из виноградной кислоты, "поедает" лишь ее правовращающий изомер, а в среде из молочной кислоты - левовращающий (на этом, кстати, основан один из методов разделения оптических изомеров), человек легко определяет на вкус изомеры молочной кислоты.