§ 33 Современные представления о возникновении жизни на Земле

В 1924 г. отечественный ученый-биохимик А.И. Опарин опубликовал труд «Происхождение жизни», заставивший весь мир по-новому взглянуть на вопрос о происхождении жизни на Земле.

Согласно гипотезе, выдвинутой Опариным, жизнь зародилась на Земле, а не привнесена из космоса.

В своей работе Опарин подчеркивал, что первые предшественники орга­низмов (протобионты) в ходе ряда химических и физических процессов (этап химической эволюции), происходивших на протяжении длительного времени в условиях молодой планеты, приобрели свойства организмов. После этого начался этап борьбы за существование и отбора живых существ в соответствии с закономерностями, выявленными Ч. Дарвином (этап биологической эволюции).

Великой заслугой А.И. Опарина является создание теории эволюции живой материи. Ее основные идеи: первоначально жизнь возникла в Мировом океане как результат химической эволюции (т. е. абиоген­но); развитие живой материи и появление большого разнообразия форм жизни произошли в процессе биологической эволюции (т. е. биогенно), которая стала вторым, начавшимся после химической эво­люции, важнейшим этапом развития жизни в исто­рии Земли. В дальнейшем А.И. Опарин неодно­кратно уточнял и углублял свои идеи, подкрепляя их новыми исследовательскими материалами.

Сходную с опаринской точку зрения в 1929 г. выска­зал английский ученый Дж. Холдейн. В конце 50-х гг. XX в. ее развил английский физик Дж. Бернал, который считал, что скопление органических молекул происходило путем кристаллизации первых полимер­ных молекул на минеральных частицах. Отечествен­ный ботаник и микробиолог Н.Г. Холодный полагал, что первоначально возникли не белки, а углеводороды, причем жизнь зародилась не в Мировом океане, а на мелководьях после образования суши. Были и другие гипо­тезы, но все они не противоречат друг другу в главном, а лишь показывают возмож­ность различных путей появления первичных организмов на нашей планете.

Какие же условия были на Земле в то время, когда возникли первые орга­низмы?

Согласно современным научным данным, Земля образовалась примерно 4,5-7 млрд лет назад из скопления газов и холодных (замерзших) пылевых час­тиц, состоявших из металлов и других химических элементов, окружавших формирующуюся молодую звезду — Солнце. Вначале Земля была газообразной и холодной, но по мере сжатия пылевых облаков, под действием гравитации и под влиянием тепла от распада радиоактивных элементов ее недра сгуща­лись, разогревались и расплавлялись. При этом захороненные внутри планеты газы выделились наружу и образовали первичную газовую атмосферу формиру­ющейся Земли.

Первичная атмосфера по своему составу сильно отличалась от совре­менной: в ней присутствовало значительное количество водорода, были мо­лекулы воды (в виде пара), углекислого газа, метана и аммиака. Свободного кислорода в земной атмосфере не было. Образовавшаяся Земля обладала достаточно большой массой, что позволяло ей удерживать в своем окруже­нии газы. В то же время она находилась на таком расстоянии от Солнца, что­бы получаемого количества энергии хватало для поддержания воды в жидком состоянии.

В результате разогревания Земля стала очень горячей, и вода, испаряясь с ее поверхности, образовала скопление густых облаков пара, окутавших мо­лодую планету. Пары воды, охлаждаясь на высотах, превращались в жидкость и в виде ливней выпадали на горячую поверхность Земли. Такие ливни шли тысячелетиями, заполняя водой все впадины и трещины земной поверхности, образуя Мировой океан и одновременно вызывая охлаждение верхних слоев планеты.

В дождевой воде растворялись химические вещества из атмосферы и зем­ной коры: метан, аммиак, цианистый водород, углекислый газ и многие другие. Вода, стекавшая в океаны, приносила с собой неорганические вещества, из их соединений с водой образовались различные соли. С ливневыми дождями в во­доемы попадали и молекулы простейших органических веществ, возникавших в атмосфере под влиянием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов молний.

Накопление органических веществ превратило воды Мирового океана в своего рода бульон, содержавший смесь различных органических молекул. Эти молекулы, находясь близко друг от друга и вступая между собой в различные взаимодействия, создавали более сложные соединения. Так случалось бесчисленное количество раз в течение очень длительного времени, исчисляемого миллиардами лет. Среди множества образовавшихся соединений возникали отдельные сложные молекулы, в том числе белки, липиды, нуклеиновые кисло­ты, сахара и др., которые затем могли стать «живой» молекулярной системой в виде клетки, существующей в водной среде.

Предположение о том, что в водах Мирового океана было растворено большое количество органических веществ, получило подтверждение в ряде экспериментов, проведенных учеными в наше время.

В 1953 г. американский биохимик С. Миллер создал установку, позволившую смо­делировать древнейшие условия первобытной Земли. В итоге эксперимента им были синтезированы из неорганических веществ органические, в том числе соединения со сложными молекулами: ряд аминокислот, аденин, различные углеводы — сахара, и среди них рибоза. Другие исследователи в подобных опытах синтезировали мо­лекулы простых нуклеиновых кислот в виде небольших цепей из шестимономерных единиц.

А.И. Опарин считал, что главная роль в превращении органических ве­ществ в организм принадлежит белкам, так как они способны образовывать коллоидные комплексы, притягивающие к себе воду и тем создающие вокруг себя своеобразную оболочку. Другие ученые полагают, что помимо белков большую роль в создании комплексов играли нуклеиновые кислоты. Такие комплексы благодаря диффузии могли слипаться и сливаться друг с другом, удаляя лишнюю воду. Этот процесс был назван ученым коацервацией, а сами белковые комплексы — коацерватными каплями или коацерватами. Со временем у коацерватов появилась оболочка и они оказались способными к поглощению веществ, богатых энергией, и благодаря этому — к увеличению массы и разме­ров. Однако опыты, проведенные рядом ученых, подтверждают лишь саму воз­можность таких процессов в те далекие времена.

Коацерваты представляли собой первые «организации» молекул.

Увеличиваясь в размере, коацерваты разделялись на более мелкие частич­ки — так был обозначен путь размножения первичных живых организмов. Для поддержания устойчивости коацерватам была нужна энергия, которая, по-видимому, была представлена различными химическими связями. Устойчивость некоторых коацерватов обеспечивала им сохранение и существование. Возмо­жно, именно такие устойчивые структуры со временем (а этот процесс длился миллионы лет) и дали начало первым живым организмам в виде живой клетки, где нуклеиновые кислоты установили первичный контроль над основными внутриклеточными процессами, в том числе и такими, как питание, рост и раз­множение. Ученые считают, что эти первые формы жизни на Земле появились примерно 3500-3900 млн лет назад.

Итак, идею, выдвинутую А.И. Опариным, коротко можно выразить сле­дующим образом.

Жизнь на Земле прошла длительный путь эволюции химических ве­ществ: из неорганических веществ образовались сложные органические вещества. Накопление их в течение миллиардов лет в океанах обеспечи­ло возможность сложным молекулам концентрироваться в коацерваты, которые стали основой появления элементарных первичных организмов.

Не все еще понятно в самом моменте перехода от сложных органических веществ в коацерватной капле к живой клетке, но ясно, что эта эволюция про­должалась несколько миллионов лет. Экспериментально пока еще не воспроиз­веден момент, когда сложная молекулярная система становится «живой систе­мой». Поэтому идеи, высказанные Опариным, Холдейном, Берналом и другими учеными, называют гипотезой, а не теорией, так как она еще требует своего до­казательства.

1. Что собой представляет процесс коацервации?

2*. Могут ли в современных условиях где-то на Земле происходить процессы возникновения жизни?

3. Дополните высказывания.

• Жизнь возникла на Земле путем ... эволюции, а многообразие форм жизни — путем ... эволюции.

• Коацерватами А.И. Опарин назвал ... комплексы.

• Первые организмы возникли в «первичном бульоне», который со­держал ... разных ... молекул.