Возникновение первичных организмов

Протобионты и их дальнейшая эволюция

Как осуществлялся переход от биополимеров к первым живым существам? Это наиболее трудная часть проблемы возникновения жизни. Ученые пытаются найти ее решение также на основе модельных экспериментов. Наибольшую известность получили опыты А. И. Опарина и его сотрудников. Приступая к работе, А. И. Опарин предположил, что переход от химической эволюции к биологической связан с возникновением простейших фазовообособленных органических систем — протобионтов, способных использовать из окружающей среды вещества и энергию и на этой основе осуществлять важнейшие жизненные функции — расти и подвергаться естественному отбору.

Наиболее перспективным объектом для моделирования подобной системы могут служить коацерватные капли. А. И. Опарин наблюдал, как в коллоидных растворах полипептидов, полисахаридов, РНК и других высокомолекулярных соединений при определенных условиях образуются сгустки. Эти сгустки и называются коацерватными каплями или коацерватами. Вокруг капель имеется граница раздела, хорошо видимая в микроскоп. Коацерваты способны адсорбировать различные вещества. В них осмотически могут поступать из окружающей среды химические соединения и идти синтез новых соединений. Под действием механических сил коацерватные капли дробятся. Но коацерваты — еще не живые существа. Это лишь простейшие модели протобионтов, проявляющие лишь внешнее сходство с такими свойствами живого, как рост и обмен веществ с окружающей средой.

Особое значение в эволюции протобионтов сыграло формирование каталитических систем. Первыми катализаторами были простейшие соединения, соли железа, меди, других тяжелых металлов, но их действие было очень слабым. Постепенно на основе предбиологического отбора эволюционно формировались биологические катализаторы. Из огромного количества химических соединений, присутствующих в «первичном бульоне», отбирались наиболее эффективные в каталитическом отношении комбинации молекул. На определенном этапе эволюции простые катализаторы были заменены ферментами. Ферменты контролируют строго определенные реакции, и это имело огромное значение для совершенствования процесса обмена веществ.

Подлинное начало биологической эволюции ознаменовано возникновением протобионтов с кодовыми отношениями между белками и нуклеиновыми кислотами. Взаимодействие белков и нуклеиновых кислот обусловило возникновение таких свойств живого, как самовоспроизведение, сохранение наследственной информации и ее передача последующим поколениям- Вероятно, на более ранних этапах жизни существовали независимые друг от друга молекулярные системы полипептидов и полинуклеотидов с весьма несовершенным обменом веществ и механизмом самовоспроизведения. Огромный шаг вперед был сделан именно в тот момент, когда произошло их объединение: способность к само воспроизводству нуклеиновых кислот дополнилась каталитической активностью белков. Протобионты, в которых обмен веществ сочетался со способностью к самовоспроизведению, имели наилучшую перспективу сохраниться в предбиологическом отборе. Дальнейшее их развитие уже полностью приобрело черты биологической эволюции, которая и осуществлялась на протяжении не менее чем 3,5 млрд. лет.

Мы изложили подновленную, с учетом данных последних десятилетий, концепцию постепенного перехода от химической к биологической эволюции, которая связана с идеями А. И. Опарина. Однако эти идеи не общеприняты. Существуют взгляды генетиков, согласно которым жизнь началась с возникновения самовоспроизводящихся молекул нуклеиновых кислот. Следующим этапом было установление связей между ДНК и РНК и способность РНК синтезироваться на матрице ДНК. Установление связи ДНК и РНК с возникшими в результате абиогенного синтеза молекулами белков есть третий этап эволюции жизни.

У истоков жизни

Трудно сказать, каковы были первые исходные для всего живого формы организмов. По-видимому, возникая в различных частях планеты, они отличались друг от друга. Все они развивались в анаэробной среде, используя для своего роста готовые органические соединения, синтезированные в ходе химической эволюции, г. е. были гетеротрофами. По мере того как происходило объединение «первичного бульона», стали возникать другие способы обмена, основанные на использовании энергии химических реакций для синтеза органических веществ. Это — хемоавтотрофы (железобактерии, серобактерии). Следующим этапом на заре жизни было возникновение процесса фотосинтеза, который существенно изменил состав атмосферы: из восстановительной она превратилась в окислительную. Благодаря этому стало возможным кислородное расщепление органических веществ, при котором получается во много раз больше энергии, чем при бескислородном. Таким образом, жизнь перешла к аэробному существованию и могла выйти на сушу.

Первые клетки — прокариоты — не имели обособленного ядра. Позже, в процессе эволюции, под воздействием естественного отбора клетки совершенствуются. Вслед за прокариотами появляются эукариоты — клетки, содержащие обособленное ядро. Затем возникают специализированным клетки высших многоклеточных.

Среда возникновения жизни

Основной компонент живого - вода. В связи с этим можно предположить, что жизнь возникла в водной среде. В пользу этой гипотезы свидетельствует сходство солевого состава морской воды и крови некоторых морских животных, а также зависимость ранних стадий развития многих организмов от водной среды, значительное разнообразие и богатство морской фауны по сравнению с сухопутной.

Широко распространена точка зрения, согласно которой наиболее благоприятной средой для возникновения жизни были прибрежные районы морей и океанов. Здесь, на стыке моря, суши, воздуха, создавались благоприятные условия для образования сложных органических соединений, необходимых для возникновения жизни.

В последние годы внимание ученых привлекают вулканические области Земли как один из возможных источников зарождения жизни. При извержении вулканов выделяется огромное количество газов, состав которых во многом совпадает с составом газов, образовавших первичную атмосферу Земли. Кроме того, высокая температура способствует протеканию реакций.

В 1977 г. в океанических желобах обнаружены так называемые «черные курильщики». На глубине в несколько тысяч метров при давлении в сотни атмосфер из «трубок» выходит вода с температурой +200. . .+300°С, обогащенная газами, свойственными вулканическим областям. Вокруг трубок «черных курильщиков» открыты многие десятки новых родов, семейств и даже классов животных. Крайне разнообразно представлены здесь и микроорганизмы, среди которых преобладают серобактерии. Быть может, жизнь зародилась в глубинах океана в резко контрастных условиях перепада температур (от +200 до +4°С)? Какая жизнь была первичной — водная или сухопутная? Ответы на эти вопросы предстоит дать науке будущего.

Возможно ли возникновение жизни на Земле сейчас?

Процесс возникновения живых организмов из простых органических соединений был чрезвычайно длительным. Чтобы на Земле вспыхнула жизнь, понадобился длившийся много миллионов лет эволюционный процесс, в течение которого протобионты испытали длительный отбор на устойчивость, на способность к воспроизведению себе подобных, на образование ферментов, контролирующих все химические процессы в живом. Стадия преджизни была, по-видимому, длительной. Если сейчас на Земле где-нибудь в районах интенсивной вулканической деятельности и могут возникнуть достаточно сложные органические соединения, то вероятность сколько-нибудь длительного существования этих соединений ничтожна. Они сейчас же будут использованы гетеротрофными организмами. Это понимал еще Чарльз Дарвин, который в 1871 г. 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».

Таким образом, современные знания о происхождении жизни на Земле приводят к следующим выводам:

— Жизнь возникла на Земле абиогенным путем. Биологической эволюции предшествовала длительная химическая эволюция.

— Возникновение жизни — это этап эволюции материи во Вселенной.

— Закономерность основных этапов возникновения жизни может быть проверена экспериментально в лаборатории и выражена в виде следующей схемы: атомы → простые молекулы → макромолекулы → ультрамолекулярные системы (протобионты) → одноклеточные организмы.

— Первичная атмосфера Земли имела восстановительный характер. В силу этого первые организмы были гетеротрофами.

— Дарвиновские принципы естественного отбора и выживания наиболее приспособленных можно перенести на предбиологические системы.

— В настоящее время живое происходит только от живого (биогенно). Возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена.