Гипотеза происхождения жизни А.И. Опарина

Гипотеза  происхождения жизни А.И. Опарина

Под понятием «жизнь» большинство ученых сейчас подразумевают процесс существования  сложных систем, состоящих  из больших  органических молекул и способных  самовоспроизводиться и поддерживать свое существование в результате обмена энергией и веществом с  окружающей средой. Существует множество теорий в связи с которыми одни верят в самозарождение жизни на Земле, другие в то, что первая земная жизнь имеет инопланетное происхождение однако доказательств этого нет. Кроме того, та жизнь, которую мы знаем, удивительно приспособлена для существования в земных условиях, и если она возникла вне Земли, то на планете земного типа.

Ч.Дарвин понял, что жизнь может возникнуть только  при отсутствии жизни. В 1871 г. он писал: «Но если бы сейчас …в каком-либо теплом водоеме, содержащем все необходимые  соли аммония и фосфора и доступном  воздействию света, тепла, электричества  и т.п., химически образовался  белок, способный к дальнейшим, все  более сложным превращениям, то это  вещество немедленно было бы разрушено  или поглощено, что было невозможно в период до возникновения живых  существ».

Итак, жизнь  материальна по своей природе, но она не является неотъемлемым свойством  всей материи вообще. Ею наделены лишь живые существа. Это особая, качественно отличная от неорганического мира форма движения материи, и организмам присущи особые, специфически биологические свойства и закономерности, не сводимые только к законам, царящим в неорганической природе.

Опарин  говорил о том, что наука в  настоящее время располагает весьма убедительными наблюдениями и многочисленными экспериментальными данными, позволяющими считать, что в определенный период доактуалистической эпохи существования нашей планеты водоемы земной гидросферы содержали в себе наряду с водным раствором неорганических солей также и разнообразные органические вещества — простые и сложные мономеры и полимеры, а также богатые энергией соединения, способные вступать в многочисленные взаимодействия между собой. Этот своеобразный «первичный бульон» все время изменялся, эволюционировал, как в целом так и в отдельных своих частях. Содержание в нем органических веществ, с одной стороны, постоянно пополнялось за счет эндогенных и экзогенных источников углеродистых соединений (земной коры, метеоритов и комет), а с другой — убывало в результате их частично идущего глубокого распада. В связи с этим концентрация растворенных в воде органических веществ очень сильно варьировала как в целом, так и в особенности в отдельных более или менее изолированных водоемах, где она могла, например, возрастать при локальном испарении воды. Наряду с этими количественными изменениями эволюционировал и качественный состав «первичного бульона», усложнялись, полимеризовались присутствовавшие в нем вещества и возникали новые соединения, в особенности в связи с общими изменениями условий на земной поверхности. Но как бы ни шла эволюция «первичного бульона», в принципе он все время оставался только более или менее сложным раствором неорганических солей и органических веществ. Порядок совершавшихся в нем химических превращений органических веществ, их образование и распад коренным образом отличался от того порядка, который характерен для всех без исключения живых существ.

В «первичном бульоне» такого рода порядок, конечно, совершенно отсутствовал. Как и в  простом водном растворе органических веществ, совершавшиеся в «бульоне»  химические превращения протекали  согласно лишь общим законам физики и химии. Они не носили какого-либо направленного, организованного характера, а реализовались по всем направлениям широчайшего поля химических возможностей. Любое вещество могло изменяться здесь очень разнообразными путями, и отдельные реакции перекрещивались между собой самым причудливым образом. Поэтому здесь могло возникать большое разнообразие всевозможных органических соединений и их полимеров, но чем сложнее и специфичнее было данное вещество, чем большее число последовательных реакций должно было участвовать в его образовании, тем менее вероятным было его возникновение, а следовательно, и меньше концентрация этого специфического вещества в «первичном бульоне». Легко представить себе возможность образования сахаров, аминокислот, пуриновых и пиримидиновых оснований, а также их неспецифических полимеров, но крайне невероятным является абиогенное образование здесь белков или нуклеиновых кислот современного типа, т. е. образование веществ, наделенных специфическим строго определенным взаиморасположением аминокислотных или мононуклеотидных остатков, молекулярной структурой, весьма совершенно приспособленной к тем функциям, которые белок или нуклеиновые кислоты несут в любом живом теле. Целесообразно построенные белки-ферменты могли образоваться и совершенствоваться только в процессе эволюции целостной системы, уже обладавшей некоторым, хотя бы примитивным обменом веществ, в котором ферменты играли свою определенную роль. Лишь в этой, наделенной обменом системе и происходило в процессе эволюции постепенное приспособление внутренней структуры сначала примитивных белков, а затем и ферментов к тем функциям, которые они несут в метаболизме.

Такого  рода упорядоченная внутримолекулярная структура возникает сейчас только благодаря действию очень сложных  высокоорганизованных химических механизмов живой клетки, и просто в растворе органических веществ «первичного бульона» ее образование совершенно исключено. Поэтому здесь не могли образовываться подобные современным высокоорганизованные белки, в частности ферменты, которые являются своеобразными, находящимися на молекулярном уровне, органами живой клетки. Их внутримолекулярное строение очень хорошо, «целесообразно» приспособлено к выполнению тех каталитических функций, которые они несут в обмене веществ целостной живой системы. Но именно возникновение этой приспособленности в условиях простого водного раствора в «первичном бульоне» еще до образования здесь таких целостных систем и является крайне невероятным.

В настоящее  время в научной литературе широко высказывается мнение, что такими исходными системами могли явиться просто отдельные молекулы тех полинуклеотидов со случайным расположением мономерных остатков в цепи, которые первично возникали в мировом «бульоне». Им была присуща свойственная всем полинуклеотидам комплементарность. Поэтому, согласно Дж. Холдейну, Г. Шрамму и другим авторам, уже в абиогенных условиях должна была создаться возможность к постоянному более быстрому синтезу предсуществующих полинуклеотидов, к все убыстряющемуся «саморазмножению» молекул, наделенных определенной вторичной структурой полимерной цепи. Подвергаясь мутациям и естественному отбору, молекулы полинуклеотидов все время эволюционировали, совершенствовали свою вторичную структуру, приближаясь в этом отношении к структуре современных нуклеиновых кислот.

Однако  на основе такой эволюции «на молекулярном уровне» трудно себе представить, а  тем более экспериментально воспроизвести  возникновение обмена веществ. Если производить подобного рода полимеризацию  мононуклеотидов в их чистых изолированных  растворах, то это приводит только к  образованию своеобразных скоплений  близких по своему строению полинуклеотидов, что в природных условиях создавало  бы лишь залежи этих веществ, подобных залежам озокерита или другой смеси органических гомологов. Если же указанная полимеризация осуществляется в присутствии других полимеров, например полипептидов (что, по-видимому, должно было иметь место в «первичном бульоне»), возникающие полинуклеотиды неизбежно образуют с этими полимерами многомолекулярные комплексы, выделяющиеся из окружающегося раствора в виде индивидуальных систем (коацерватных капель) При этом существенное значение для такого рода выделения имеет лишь величина образующихся полимерных молекул, а не порядок расположения мономерных остатков в их цепи, который может быть совершенно случайным.

Возникновение многомолекулярных комплексных  систем в первоначально однородном «бульоне» земной гидросферы и их последующее совершенствование явились дальнейшим очень важным этапом эволюции углеродистых соединений на пути к возникновению жизни.

Такого  рода форма организации и движения материи могла возникнуть только на основе эволюции выделившихся из «первичного  бульона», из однородного раствора органических веществ, целостных многомолекулярных  систем, может быть, вначале очень примитивных, но уже способных взаимодействовать с внешней средой. Именно в процессе этого взаимодействия и связанного с ним отбора индивидуальных исходных систем по признаку возможности их более или менее длительного существования в данных условиях внешнего мира происходило постепенное приспособление внутренней организации этих систем к внешним условиям, создавалось все более и более совершенное в указанном отношении взаимодействие веществ и процессов, возникал закономерно организованный обмен веществ, и на этой основе образовывались белки, нуклеиновые кислоты и другие «целесообразно» построенные, функционально приспособленные, свойственные современным организмам вещества.

Конечно, очень трудно сказать, что представлял  собой процесс образования первичных, исходных для возникновения организмов систем. Можно считать, что это было выделение сгустков органических веществ путем их адсорбции на частицах глины или на других твердых неорганических веществах, как это предполагает Дж. Бернал. С. Фокс экспериментально показал очень интересную возможность образования белковоподобных многомолекулярных систем путем допустимого в природных условиях термического воздействия на смесь аминокислот. Любопытную схему образования пузырьков, заключенных в липоидо-белковую оболочку, дал Р. Голдейкр. По его мнению, такие пузырьки могут возникать под влиянием ветра в результате изгибов пленок, обнаруженных на поверхности некоторых природных водоемов.

Однако, для решения проблемы первичного возникновения упорядоченного, целесообразного строения белков необходимо прежде всего ответить на вопрос, как из хаоса взаимоперекрещивающихся реакций водного раствора мог сформироваться определенный порядок обмена веществ, нужно ясно представить себе и экспериментально обосновать пути возможного образования в «первичном бульоне» таких исходных систем, в которых в процессе эволюции складывался бы определенный порядок их взаимодействия с внешней средой, постепенно приближающийся к современному, характерному для всего живого, обмену веществ.

Естественно на основе эволюции «на молекулярном уровне» трудно себе представить, а  тем более экспериментально воспроизвести  возникновение обмена веществ. Если производить подобного рода полимеризацию  мононуклеотидов в их чистых изолированных  растворах, то это приводит только к  образованию своеобразных скоплений  близких по своему строению полинуклеотидов, что в природных условиях создавало  бы лишь залежи этих веществ, подобных залежам озокерита или другой смеси органических гомологов. Если же указанная полимеризация осуществляется в присутствии других полимеров, например полипептидов (что, по-видимому, должно было иметь место в «первичном бульоне»), возникающие полинуклеотиды неизбежно образуют с этими полимерами многомолекулярные комплексы, выделяющиеся из окружающегося раствора в виде индивидуальных систем (коацерватных капель) При этом существенное значение для такого рода выделения имеет лишь величина образующихся полимерных молекул, а не порядок расположения мономерных остатков в их цепи, который может быть совершенно случайным.

Возникновение многомолекулярных комплексных  систем в первоначально однородном «бульоне» земной гидросферы и их последующее совершенствование явились дальнейшим очень важным этапом эволюции углеродистых соединений на пути к возникновению жизни. Уже в течение многих лет эти образования изучались голландским ученым Г. Бунгенберг-де-Ионгом, а теперь исследуются во многих лабораториях мира. Классическим объектом для получения коацерватных капель в работах Бунгенберг-де-Ионга служили растворы желатины и гуммиарабика. Но можно получить коацерваты не только из двух, но и из многих компонентов, смешивая между собой разнообразные белки, в частности, например, казеин, яичный или кровяной альбумин, гемоглобин, псевдоглобулин, глицинии, клюпеин и т. д. Далее в образовании коацерватов могут принимать участие нуклеиновые кислоты, разнообразные полиозы, как, например, крахмалофосфорная кислота или арабан, лецитин и другие липоиды (в виде белково-липоидных комплексов) и тому подобные вещества. В капли могут быть включены и активные ферменты, проявляющие здесь свое специфическое каталитическое действие.

Белковые  коацерватные капли могут обладать и внутренней структурой, что также  существенно отличает их от простых  капель жидкости. Эта структура чаще всего выражается в некоторой  очень лабильной ориентированности  частиц коацервата, но она может в ряде случаев приобретать и довольно стабильный характер.

Дальнейшая  история единой какой-нибудь коацерватной капли могла существенно отличаться от истории другой такой же индивидуальной системы, находившейся рядом с ней. Судьба этой капли определялась уже  не только общими условиями внешней среды, но и ее внутренней специфической организацией как в пространстве, так и во времени. Эта организация в своих деталях была присуща только данной капле и у других капель могла иметь несколько иное, опять-таки характерное для каждой индивидуальной системы выражение. Какие условия определяли индивидуальное существование данной коацерватной капли в водах первичной земной гидросферы?

Критика гипотезы А.И. Опарина

Проблема  вирусов была особенно близка к проблеме природы жизни, если рассматривать  ее на молекулярном уровне; вирусы состоят  из нуклеиновых кислот (ДНК или  РНК), заключенных в белковую оболочку. Отношение молекулярной биологии к  работе Опарина заключалось отчасти  в том, что ставило в центр  обсуждения проблему вирусов. В этой связи наиболее животрепещущий вопрос мог быть сформулирован очень  просто: являются ли вирусы живыми существами? Если, имея в виду тот факт, что  наиболее простые из них представляют собой, по существу, молекулы нуклеиновых  кислот, ответ на этот вопрос является положительным, то в таком случае нельзя ли говорить о том, что Опарин не прав, утверждая, что жизнь появляется на мультимолекулярном уровне? Не является ли в таком случае молекула нуклеиновой кислоты первой живой формой?

Обсуждение  ответов на эти вопросы в Советском  Союзе проходило в весьма трудных  и сложных условиях, поскольку  появление в мировой науке  нового союза — союза биохимии и генетики — почти совпало  по времени с завоеванием Лысенко  и его последователями контроля над советской генетикой. Как  бы ни были Опарин и Лысенко далеки друг от друга в интеллектуальном отношении, в политическом отношении  они были близки. Оба они извлекали для себя выгоду из поддержки со стороны правительства, и оба платили за это сотрудничеством с этим правительством и, в свою очередь, оказанием ему политической поддержки.

Один  из наиболее скверных моментов в интеллектуальной карьере Опарина связан с его  поддержкой в 1951 г. новой теории клетки, предложенной Ольгой Лепешинской. Лепешинская  была посредственным биологом, но при  этом была весьма внушительной фигурой  в политическом отношении; это объяснялось  тем, что она являлась членом Коммунистической партии с момента ее создания, а  также ее сотрудничеством с Лениным  и многими другими советскими политическими лидерами. В 1950 г., то есть в том году, когда в Советском  Союзе существовал политический гнет, Лепешинская заявила, что ею получены клетки из живой неклеточной материи. При этом она даже утверждала, что ей удалось получить эти клетки из питательных сред всего за 24 часа. В 1951 г. Опарин отступил от этих своих взглядов под влиянием политического давления, существовавшего в то время в сталинской России, и с похвалой отозвался о «великой заслуге» профессора Лепешинской, «продемонстрировавшей» возникновение клеток из живой неклеточной материи, и сделал это, несмотря на то, что везде за пределами советского блока свидетельства Лепешинской были отвергнуты. Он даже согласился с тем, что подобные процессы происходят «и в настоящее время», хотя в прошлом неоднократно выступал против подобного взгляда. Только после 1953 г. Опарин стал выступать в печати против подобных взглядов. К 1957 г. он вновь возвращается на позиции, категорически отрицающие самозарождение и внезапное появление клеточных форм в том виде, как это было описано Лепешинской. В период с 1953 по 1958 г. в ответ на возражения Опарина сторонники Лепешинской и она сама в свою очередь обрушиваются с критикой на Опарина.