Зарождение жизни на Земле

Роль земной коры для молекулярной эволюции очень  велика. Из нее организмы черпают металлы и другие неорганические и органические компоненты, необходимые для построения тела и обмена веществ.

Земная кора дает опору жизни, но ее колыбелью  становятся первые водные бассейны. Действительно, существуют некоторые гипотезы, согласно которым жизнь возникла не в водном бассейне, а на земной поверхности в пыли, образованной микрометеоритным «дождем».

Жизнь, такая, как  мы ее знаем, не могла возникнуть без  свободной воды. Для живой материи  необходима именно свободная, а не связанная в гидраты вода или лед, которые обнаруживаются в метеоритах или на жругих планетах.

Наличие воды в  телах организмов указывает на ее огромное значение для жизненных  процессов. Низшие организмы содержат 95-99% воды, а высшие — 75-80%. При уменьшении ее количества до определенного уровня наступает смерть.

Трудно описать  состояние гидросферы в первые 100-200 миллионов лет существования  Земли. По мнению многих, на молодой  Земле было около одной десятой  массы воды, содержащейся в современном  океане. Остальные девять десятых образовались позже за счет дегазации внутренних частей Земли. Именно в результате выделения газа и пара из мантии сформировались гидросфера и атмосфера. В веществе мантии содержится 0,5% воды, но даже 10% этого количества достаточно для образования всего сегодняшнего объема океана. Вероятно, океанская вода с самого начала была соленой. При дегазации вещества мантии воды насыщались анионами хлора, брома и других элементов, а также СО2, H2S, SO2. Это создавало легкий кислотный характер праокеану, который нейтрализовался за счет щелочных компонентов, вызываемых дождями из базальтовой коры и выносившихся реками в океан. Это катионы натрия, магния, кальция, калия и других элементов.

Ранняя эволюция гидросферы (океаны, моря, континентальные  бассейны) протекала при отсутствии газообразного кислорода. В этих условиях и при наличии бескислородной атмосферы могли возникнуть только анаэробные организмы.

Океанологи  установили, что органическое вещество встречается во взвешенном состоянии  в виде отдельных частиц гораздо чаще, чем считалось раньше. Полагают, что основную роль в формировании таких скоплений органических веществ играет образование пены в океане. Органические вещества образуют тонкую мономолекулярную пленку на поверхности океана, которая разрушается волнами. Взбитые этими волнами они приобретают сферическую форму и падают снова в воду, при этом они могут погрузиться на некоторую глубину и сохраняться там в виде мелких коацерватных капель.

Коацерватную  гипотезу развил в 1924 году Опарин. Коацервация — это самопроизвольное разделение водного раствора полимеров на фазы с различной их концентрацией. Коацерватные капли имеют высокую концентрацию полимеров. Часть этих капель поглощали из среды низкомолекулярные соединения: аминокислоты, глюкозу, примитивные катализаторы. Взаимодействие молекулярного субстрата и катализаторов уже означало возникновение простейшего метаболизма внутри протобионтов («протобионты» по терминологии Опарина — первые белковые структуры). Обладавшие метаболизмом капли 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. 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.

Процесс концентрации органических веществ может происходить  при отливах, испарении воды в  лагунах, а также при волнении (как отмечено выше). Научные данные все больше подтверждают, что жизнь возникла не в открытом океане, а в шельфовой зоне моря или в лагунах, где были наиболее благоприятные условия для концентрации органических молекул и образования сложных макромолекулярных систем.

Эволюция углеродных соединений на первичной Земле.

Биохимическая эволюция начинается с момента образования  земной коры, то есть около 4,5 млрд. лет  назад. Ее корни уходят в ранний космический  этап химической эволюции. Находки  древнейших молекулярных ископаемых возрастом 3,5-3,8 млрд. лет показывают, что биохимическая эволюция, которая привела к образованию первой клетки, продолжалась около миллиарда лет. Образование клетки и было самым трудным на этом долгом пути.

Как уже отмечалось, исходный материал для биохимической  эволюции был заготовлен раньше, на космическом этапе развития и в начале формирования первичных литосферы, гидросферы и атмосферы. Для этого имелось достаточно источников энергии: солнечное излучение, тепловая энергия земных недр, высокоэнергетическая радиация, электрические разряды (молнии и гром, при котором возникают сильные ударные волны). Вероятно, тогда же и возникли основы естественного отбора важных биохимических молекул.

Имевшееся количество химических элементов и наличие  мощных источников энергии приводят к образованию огромного количества молекул. Путем конденсации (концентрации) этих простых молекул (метан, аммиак, вод а др.) образуются основные биохимические молекулы: некоторые аминокислоты, являющиеся основой белков; некоторые органические основания, такие, как аденин, которые являются компонентами нуклеиновых кислот; некоторые сахара, например рибоза, и их фосфаты; простые азотосодержащие молекулы, например порфирины, которые являются важным компонентом ферментов (энзимов) и т.п. На следующем этапе происходит укрупнение молекул и формирование сложных макромолекул, важнейших компонентов так называемого «первичного бульона», в котором происходит полимеризация и связывание низкомолекулярных соединений в высокомолекулярные. Такие сложные макромолекулярные соединения, называемые пробионтами, имеют открытую пространственную структуру, что обеспечивает их рост, а также разделение на дочерние образования под действием механических сил. На этом этапе, когда возникают биологические полимеры, по-видимому, появился и механизм идентичного воспроизведения (репликация), который является основной чертой жизни.

Установлено, что  способность к самовоспроизведению  живых организмов основана на репликации нуклеиновых кислот, при которой  происходит не только образование новых  молекул, но и их разделение. Добиологический часто химический этап переходит в этап самоорганизации, на котором возникают самовоспроизводящие сложные молекулярные комплексы. Эти макромолекулярные комплексы дают начало жизни. Граница между двумя этапами — этапом чисто химической эволюции и этапом самоорганизации биологических макромолекул — весьма условна и не фиксирована во времени.

Как полагает Опарин, с появлением самовоспроизведения  органических молекул началась биологическая  эволюция. При этом произошло объединение двух важных свойств: способности к самовоспроизводству полинуклеотидов и каталитической активности полипептидов. Наилучшие перспективы сохраниться в предбиологическом отборе имели эти ультрамолекулярные системы, в которых обмен веществ сочетался со способностью к самовоспроизведению.

На этом этапе  эволюционные процессы привели к  образованию нового типа взаимосвязи, необходимого для дальнейшего развития и воспроизводства. Чтобы уяснить  значение этого типа связи в природе, необходимо ввести два основных понятия — информация и инструкция : инструкция «от кого» и информация «для кого». Необходимо сказать несколько слов о информации.

Современная теория информации рассматривает проблему переработки информации, а не ее «производства». Информация должна передаваться в строго определенной форме. Она может быть записана соответствующим кодом и при передаче по каналам сопровождается шумом, который необходимо отфильтровывать в приемном устройстве. Современная теория информации, основываясь на данных палеонтологии, геологии, физики, считает, что нарастание структурной сложности и информационной насыщенности есть важнейшая черта эволюционного прогресса.

«От кого» и  «для кого»? Эти два вопроса касаются взаимодействия нуклеиновых кислот и белков как важнейших компонентов жизни. В своей книге о химической эволюции М. Кальвин отмечает, что существующий в настоящее время набор компонентов белка был предопределен в самом начале эволюции исходным набором аминокислот. Этот набор аминокислот в белке обусловлен определенной последовательностью в строении нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты и белки выполняют три исключительно важные функции: самовоспроизведение, сохранение наследственной информации и передачу этой информации в процессе возникновения новых клеток. Следовательно, нуклеиновые кислоты и белки тесно взаимодействуют при воспроизводстве. А что возникло раньше: нуклеиновая кислота или белок? Новый вариант старого вопроса о курице и яйце.

Этот вопрос созникает как барьер перед стремлением  объяснить возникновение жизни. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) вместе с рибонуклеиновой кислотой (РНК) ответственна за синтез белка. Вспомним одно из центральных положений молекулярной биологии: ДНК ® РНК ® белок. Из этого положения, описывающего химический процесс белкового синтеза, некоторые исследователи делают вывод, что «пра-ДНК, вероятно, и была первым организмом на Земле». Но ДНК беспомощна без белка, и в этом причина нежизненности гипотезы о пра-ДНК. «Начало жизни в виде одинокой молекулы ДНК на берегу первичного океана, — пишет Бернал, — еще менее правдоподобно, чем в виде Адама и Евы в райских кущах».

В понимании  вопроса о происхождении жизни  понятия «нуклеиновая кислота» и  «белок» можно заменить понятиями  «информация, содержащая инструкцию»  и «функция». Тогда вопрос «что первично?» становится абсурдным, так как не может осуществиться определенная функция, если нет информации. А «информация» приобретает смысл только через функцию, которую она кодирует. Поэтому в живой природе естественный отбор направлен в конечном счете к сохранению полезной для организма функции.

«Такую систему (информация — функция), — пишет  М. Эйген, — можно сравнить с замкнутым  узлом. Хотя и очевидно, что нить, из которой образован узел, где-то должна начинаться, начальная точка  теряет свое значение, поскольку узел замкнут. Взаимоотношения нуклеиновых кислот и белков соответствуют сложной иерархии «замкнутого узла».

В процессе развития пробионтов зародилась способность  передачи информации. Она обеспечила огромные преимущества своим носителям  — сложным макромолекулярным комплексам. В дальнейшем эта способность приводит к образованию огромной информационной насыщенности живой клетки, что обеспечивается тонкими механизмами, сформировавшимися в процессе эволюции. При этом запись информации происходит на атомном уровне. В исключительно малом пространстве (например, диаметр сперматозоида составляет около 0,1 мм) может быть записано огромное количество информации. Эта информация включает мельчайшие подробности, даже такие, по словам Дж. Уотсона, как «присущая нам способность развлекать окружающих».

Основные черты, приобретенные в результате каким-либо организмом в результате долгой предшествующей эволюции, записаны в его наследственной программе. Издавно известно, что  основная часть генетической информации содержится в тонких нитевидных телах — хромосомах, имеющихся внутри клетки. В 1950-е годы было установлено, что важнейшая часть хромосом состоит из ДНК. По-видимому, генетическим материалом всех живых организмов является ДНК, за исключением некоторых вирусов, которые содержат исходную РНК. Не известны случаи, когда бы генетическим материалом служили иные молекулы, кроме нуклеиновых кислот.

Рентгеноструктурные исследования М. Уилкинса, и особенно работа Дж. Уотсона и Ф. Крика, раскрыли структуру ДНК. Она представляет собой длинную цепь повторяющихся последовательностей: сахар-фосфат-сахар-фосфат-сахар-фосфат... и так далее. К каждому сахару (называемому еще дезоксирибозой) присоединена плоская циклическая группа азотосодержащего соединения, называемого азотным основанием. Это пурины, имеющие двойное углеродно-азотное кольцо, и пиримидины, имеющее одно такое кольцо. Чаще всего встречаются пурины —  аденин (А) и гуанин (Г) — и пиримидины — тимин (Т) и урацил (У). Генетическая информация передается посредством чередования в определенной последовательности этих четырех оснований. Следовательно, всякая наследственная информация записана языком, содержащим всего четыре буквы. Не беден ли этот язык? Если посмотреть на окружающий мир, полный разнообразия и красоты, можно убедиться, что он не препятствует разнообразию жизни, но обеспечивает стабильность. Чтобы код легко и быстро «прочитывался» клеткой без больших энергетических затрат, он должен быть основан на малом числе букв. В процессе эволюции образовался именно такой генетический код. Несмотря на свою «скромность», он несет огромную информацию.

Вся молекула ДНК  закручена в форме двойной  спирали. Две цепи спирали соединены  водородными связями, образуя так  называемые комплементарные (дополнительные) половины, которые можно сравнить с объединенными негативом и позитивом. Это дает возможность генам при удвоении образовывать дополнительные негативные копии, форма которых относится к исходному «позитиву» как ключ к замку. Этот дополнительный «негатив» служит матрицей (шаблоном) при образовании новых позитивных копий. Так формируются две пары одинаковых цепей там, где ранее была только одна. Этот процесс копирования, по-видимому, характерен для любого организма.

В осуществлении  разнообразия химических реакций в  живой материи кроме нуклеиновых кислот участвует и другая большая группа молекул — белки.

Белки состоят  из 20 видов аминокислот, которые  соединяются друг с другом в так  называемую полипептидную цепь.

Способность белков образовывать сложные структуры  позволяет им обеспечивать тонкое регулирование биохимических реакций. Они обладают колоссальным функциональным разнообразием и огромной способностью к распознаванию.

Рассмотрим  некоторые основные положения генетического  кода. Можно ли с помощью четырех  элементов (четырех оснований ДНК) управлять последовательностью 20 аминокислот в белке? Результаты исследований показывают, что любая аминокислота записывается (кодируется) комбинацией трех оснований, так называемым триплексным кодом. Так, например, фенилаланин кодируется тройкой УУУ — последовательностью из трех урацилов. Сама ДНК, являющаяся ядром кода, участвует в синтезе белка не непосредственно, а косвенно через РНК двух видов: матричную или информационную (иРНК) и транспортную (тРНК). 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 тРНК, которые связывались с иРНК через спаривание оснований. Молекула РНК воспроизводит генетический код, записанный в ДНК, и переносит запись к находящимся в цитоплазме рибосомам. Это субмикроскопические внутриклеточные частицы, в которых происходит «сборка» белков из аминокислот. Генетический код един для всех живых организмов.