17.Биохимическая теория происхождения жизни на земле

Вопрос происхождения жизни на Земле интересует учёных в области биологии и геологии уже много столетий, по их мнению, возраст планеты составляет более 5 млрд. лет. В 1923 году советским биохимиком Алексеем Опариным была разработана теория биохимической эволюции.

Основу этой теории составляла идея о том, что миллиарды лет назад при формировании планеты первыми органическими веществами были углеводороды, которые образовались в океане из более простых соединений.

Соединения углеводорода с азотом и простейших молекул аммиака, воды, метана и водорода с рядом других химических элементов образовывали сложные органические вещества. Энергию для осуществления этих процессов создавали частые грозовые электрические разряды и интенсивная солнечная радиация, выделявшая значительное количество ультрафиолетового излучения, падавшего на Землю до того, как образовался озоновый слой.

Органические вещества, постепенно накапливаясь в океане, создавали прочные молекулярные связи, которые были устойчивы к разрушающему действию ультрафиолетового излучения.

Белковые соединения в «первичном бульоне» притягивали и связывали молекулы жиров и воды, что позволяло жирам обволакивать поверхность белковых тел, структура которых напоминала мембрану клеток. Полученные в результате такого взаимодействия тела Опарин назвал коацерватами (коацерватными каплями), а сам процесс – коацервацией.

В дальнейшем поглощая из окружавшей среды белковые вещества, структура коацерватов усложнялась, и они стали похожи на примитивные, но уже живые клетки, а химические соединения внутреннего состава позволяли им расти, видоизменяться, осуществлять обмен веществ и размножаться.

Теория биохимической эволюции, важным этапом которой явилось формирование мембранной структуры, предполагала, что с появлением мембраны ускорился процесс упорядочения и усовершенствования метаболизма, а дальнейшее усложнение обмена веществ происходило с помощью катализаторов.

Этапы химической эволюции были выделены А. И. Опариным. I этап - небиологический, или абиогенный На этом этапе в атмосфере Земли и в водах первичного океана, насыщенных разнообразными неорганическими веществами, в условиях интенсивного солнечного излучения происходили химические реакции. В ходе этих реакций из неорганических веществ могли сформироваться простые органические вещества - аминокислоты, простые углеводы, спирты, жирные кислоты, азотистые основания. Возможность синтеза органических веществ из неорганических в водах первичного океана подтвердилась в опытах американского ученого С.Миллера и отечественных ученых А.Г.Пасынского и Т.Е.Павловской. Миллер сконструировал установку, в которую помещалась смесь газов - метана, аммиака, водорода, паров воды. Эти газы могли входить в состав первичной атмосферы. В другой части аппарата находилась вода, которая доводилась до кипения. Газы и водяной пар, циркулировавшие в аппарате под высоким давлением, в течение недели подвергались воздействию электрических разрядов. В результате в смеси образовалось около 150 аминокислот, часть из которых входит в состав белков. Впоследствии экспериментально подтвердилась возможность синтеза и других органических веществ, в том числе и азотистых оснований. II этап - синтез белков - полипептидов, которые могли образоваться из аминокислот в водах первичного океана. III этап - появление коацерватов (от лат. coacervus - сгусток, куча). Молекулы белков, обладающие амфотерностью, при определенных условиях могут самопроизвольно концентрироваться и образовывать коллоидные комплексы, которые получили название коацерватов. Коацерватные капли образуются при смешивании двух разных белков. Раствор одного белка в воде прозрачен. При смешивании разных белков раствор мутнеет, под микроскопом в нем заметны плавающие в воде капли. Такие капли - коацерваты могли возникнуть в водах первичного океана, где находились разнообразные белки. Некоторые свойства коацерватов внешне сходны со свойствами живых организмов. Например, они "поглощают" из окружающей среды и избирательно накапливают определенные вещества, увеличиваются в размерах. Можно предположить, что внутри коацерватов вещества вступали в химические реакции. Поскольку химический состав "бульона" в разных частях первичного океана различался, неодинаковы были химический состав и свойства коацерватов. Между коацерватами могли формироваться отношения конкуренции за вещества, растворенные в "бульоне". Однако коацерваты нельзя считать живыми организмами, так как у них отсутствовала способность к воспроизведению себе подобных. IV этап - возникновение молекул нуклеиновых кислот, способных к самовоспроизведению. Исследования показали, что короткие цепи нуклеиновых кислот способны удваиваться вне всякой связи с живыми организмами - в пробирке. Возникает вопрос: как появился на Земле генетический код?
 Американский ученый Дж.Бернал (1901-1971) доказал, что минералы играли большую роль в синтезе органических полимеров. Было показано, что ряд горных пород и минералов - базальт, глины, песок - обладает информационными свойствами, например, на глинах может осуществляться синтез полипептидов.
Видимо, первоначально сам по себе возник "минералогический код", в котором роль "букв" играли катионы алюминия, железа, магния, чередующиеся в различных минералах в определенной последовательности. В минералах возникает трех-, четырех- и пятибуквенный код. Этот код и определяет последовательность соединения аминокислот в белковую цепь. Потом роль информационной матрицы перешла от минералов к РНК, а затем к ДНК, которая оказалась более надежной для передачи наследственных признаков. Однако процессы химической эволюции не объясняют, как возникли живые организмы. Процессы, которые привели к переходу от неживого к живому, Дж.Бернал назвал биопоэзом. Биопоэз включает этапы, которые должны были предшествовать появлению первых живых организмов: возникновение мембран у коацерватов, метаболизма, способности к самовоспроизведению, фотосинтеза, кислородного дыхания. К появлению первых живых организмов могло привести образование клеточных мембран путем выстраивания молекул липидов на поверхности коацерватов. Это обеспечивало стабильность их формы. Включение в состав коацерватов молекул нуклеиновых кислот обеспечило их способность к самовоспроизведению. В процессе самовоспроизведения молекул нуклеиновых кислот возникали мутации, которые служили материалом для естественного отбора. Так на основе коацерватов могли возникнуть первые живые существа. Они, по-видимому, являлись гетеротрофами и питались богатыми энергией сложными органическими веществами, содержащимися в водах первичного океана. По мере увеличения численности организмов конкуренция между ними обострялась, так как запасы питательных веществ в водах океана уменьшались. У некоторых организмов появилась способность к синтезу органических веществ из неорганических с использованием солнечной энергии или энергии химических реакций. Так возникли автотрофы, способные к фотосинтезу или хемосинтезу. Первые организмы были анаэробами и получали энергию в ходе реакций бескислородного окисления, например брожения. Однако появление фотосинтеза привело к накоплению в атмосфере кислорода. В результате возникло дыхание - кислородный, аэробный путь окисления, который примерно в 20 раз эффективнее гликолиза. Первоначально жизнь развивалась в водах океана, так как сильное ультрафиолетовое излучение губительно влияло на организмы на суше. Появление озонового слоя в результате накопления кислорода в атмосфере создало предпосылки для выхода живых организмов на сушу. Астрономические исследования показывают, что как звёзды, так и планетные системы возникли из газопылевого вещества. Наряду с металлами и их окислами в нём содержались водород, аммиак, вода и простейший углеводород — метан.