3. Теория биохимической эволюции.
Наиболее широкое признание получила теория, согласно которой жизнь возникла как результат длительной эволюции углеродных соединений. Разработка такой гипотезы принадлежит А.И. Опарину (1924) и Дж. Холдейну (1929). Общим во взглядах этих ученых является попытка объяснить возникновение жизни в результате химической эволюции органических соединений из неорганических на первичной Земле.
Современные представления об основных этапах теории по Опарину
Химическая эволюция.
А) Синтез органических мономеров: органических кислот, аминокислот, углеводов, азотистых оснований. Для этого на Земле имелись все условия: обилие воды, метана, аммиака и цианидов, отсутствие кислорода и других окислителей (атмосфера носила восстановительный характер), избыток свободной энергии в виде ультрафиолетового света, электрических разрядов и вулканической деятельности.
Б) Синтез органических полимеров из имеющихся мономеров с участием неорганических катализаторов (ионы металлов и неорганические матрицы в виде частиц глины). В присутствии воды образуются коацерваты (или микросферы).
В) Образование нуклеопротеидов (комплексов белков и нуклеиновых кислот), появление реакций матричного типа, появление липидных мембран. Этот этап завершается появлением молекулярно-генетических систем управления и естественного отбора. Вероятно, первичными нуклеиновыми кислотами были различные типы РНК, которые обеспечивали все матричные процессы; ДНК (как основной носитель генетической информации) возникла значительно позже.
2. Биологическая эволюция
А) Появление первых биологических систем – пробионтов. (А.И. Опарин считал пробионтов еще неживыми существами, но его последователи считают их уже живыми). Некоторые из полипептидов обладали каталитической активностью и могли ускорить процессы матричного синтеза полинуклеотидов. Молекулы, окруженные водной оболочкой, могли объединяться, образуя многомолекулярные комплексы – коацерваты. В первичном бульоне коацерваты обладали способностью поглощать различные вещества. Одни коацерватные капли распадались, другие росли, изменяя свой химический состав. Академик А.И. Опарин отмечал, что среди коацерватных капель должен был идти естественный отбор наиболее устойчивых в данных конкретных условиях. Достигнув определенного размера, коацерватная капля могла распадаться на дочерние. В дальнейшем сохранялись лишь те капли, которые обладали способностью избирательно поглощать из окружающей среды только те вещества, которые обеспечивали им устойчивость и которые при разделении на дочерние не утрачивали особенностей своей структуры, т.е. обладали свойством самовоспроизведения.
Б) Появление архебионтов (по терминологии А.И. Опарина протобионтов) – предшественников современных организмов. Архебионты характеризовались наличием основных компонентов клетки: плазмалеммы, цитоплазмы и генетического аппарата. Существовали системы обмена веществ (электрон–транспортные цепи) и системы воспроизведения, передачи и реализации наследственной информации (репликация нуклеиновых кислот и биосинтез белка на основании генетического кода).
В) Формирование современных клеток и групп организмов: архебактерий, эубактерий, мезокариот и эукариот.
Первые живые организмы были гетеротрофными (использовали в качестве пищи органические вещества первичного океана), анаэробами (в атмосфере Земли не было свободного кислорода). С увеличением количества гетеротрофов органических веществ в первичном океане становилось меньше. В преимущественном положении оказались организмы-фотоавтотрофы, способные использовать для создания органических веществ энергию света, побочным продуктом реакции при этом процессе выделялся кислород. С этого времени в атмосфере Земли начал накапливаться свободный кислород. Первыми организмами, выделившими кислород в атмосферу, были цианобактерии (до 4-10%), далее зеленые растения довели атмосферу Земли до 21%.
Теория химической эволюции опирается на идею самозарождения. Однако, в основе ее лежит не внезапное возникновение живых существ на Земле, а образование химических соединений и систем, которые составляют живую материю. Она рассматривает химию древнейшей Земли, прежде всего химические реакции, протекавшие в примитивной атмосфере и в поверхностном слое воды, где, по всей вероятности, концентрировались легкие элементы, составляющие основу живой материи, и поглощалось огромное количество солнечной энергии.
В настоящее время живое происходит только от живого (биогенно). Возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена. 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.
Экспериментальные доказательства теории
Первый целенаправленный опыт по синтезу органических молекул, пригодных для развития жизни, из предполагаемых исходных компонентов ранней земной атмосферы был проведен В.Гротом и Х.Зюссом (1938). После облучения ультрафиолетовыми лучами газовой смеси СО2 и Н2О они получили формальдегид и глиоксал. По мнению Грота и Зюсса, результаты этих опытов объясняют образование некоторых органических соединений, «которые, вероятно, были необходимой предпосылкой эволюции органической жизни».
Позже У.Харрисон, М.Кальвин и другие (1951) подвергают экспериментальной проверке идеи Опарина и Холдейна. Они облучали -частицами водные растворы, содержащие ионы двухвалентного железа, которые находились в равновесии с газовой смесью двуокиси углерода и водорода. Получены формальдегид, муравьиная и янтарная кислоты.
В 1953 году Стэнли Миллер проводит опыт, который позже был назван классическим. Газовая смесь метана, аммиака, водяных паров и водорода (доступа свободного кислорода в колбу не было) подвергалась Миллером воздействию сильных электрических разрядов, при этом получались аминокислоты, сахара и ряд других органических соединений. Огромное значение опыта Миллера состоит в доказательстве возможности неорганического пути образования белковоподобных молекул в условиях первичной Земли.