Теория биохимической эволюции
Из всех теорий происхождения жизни наиболее распространенной и признанной в научном мире является теория биохимической эволюции, предложенная в 1924 г. советским биохимиком академиком А.И. Опариным (в 1936 г. он подробно изложил ее в своей книге «Возникновение жизни»).
В 1929г. Выходит статья Дж. Холдейна, где он независимо от Опарина приходит к таким же результатам. Но приоритет открытия Опарина однозначен.
Опарин считает, что жизнь на Земле могла возникнуть абиогенным путем. Первые живые организмы были гетеротрофами. Это могло произойти при наличии определенных химических веществ, источников энергии, отсутствии газообразного кислорода и при наличии безгранично длительного времени.
Предбиологическая (химическая) эволюция
Среди астрономов, геологов и биологов принято считать, что возраст Земли составляет примерно 4,5-5 млрд лет. По мнению многих биологов, в далёком прошлом состояние нашей планеты было мало похоже на нынешнее: по всей вероятности, температура её поверхности была очень высокой (4000-8000оС), и по мере того, как Земля остывала, углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовывали земную кору; поверхность Земли была, вероятно, голой и неровной, так как на ней в результате вулканической активности, непрерывных подвижек коры и сжатия, вызванного охлаждением, происходило образование складок и разрывов.
Полагают, что в те времена атмосфера была совсем не такая, как теперь. Лёгкие газы – водород, гелий, азот, кислород и аргон – уходили из атмосферы, так как гравитационное поле нашей ещё недостаточно плотной планеты не могло их удержать. Однако простые соединения, содержащие (среди прочих) эти элементы, должны были удерживаться; к ним относятся вода, аммиак, двуокись углерода и метан. До тех пор пока температура Земли не упала ниже пары H2O, CO2, NH3, CH4 100oС, вся вода, вероятно, находилась в парообразном состоянии.
Атмосфера была, по-видимому, восстановительной, о чём свидетельствует наличие в самых древних горных породах Земли металлов в восстановленной форме, таких как двухвалентное железо. Восстановительный характер первичной атмосферы Земли чрезвычайно важен для зарождения жизни, поскольку вещества в восстановленном состоянии обладают высокой реакционной способностью и в определенных условиях способны взаимодействовать друг с другом, образуя органические молекулы. Отсутствие в атмосфере первичной Земли свободного кислорода (практически весь кислород Земли был связан в виде окислов) также является важной предпосылкой возникновения жизни, поскольку кислород легко окисляет и тем самым разрушает органические соединения. Поэтому при наличии в атмосфере свободного кислорода накопление на древней Земле значительного количества органических веществ было бы невозможно.
1 Этап Образование органических веществ
Исходя из теоретических соображений, основанных на сделанном выше описании Земли, А. И. Опарин полагал, что органические вещества, возможно углеводороды, могли создаваться в океане из более простых соединений; энергию для этих реакций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнечная радиация (главным образом ультрафиолетовая), падавшая на Землю до того, как образовался озоновый слой, который стал задерживать б`ольшую её часть. По мнению Опарина, разнообразие находившихся в океанах простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался тот «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь. Эта идея была не нова: в 1871 году сходную мысль высказал Дарвин: «Часто говорят, что все необходимые для создания живого организма условия, которые могли когда-то существовать, имеются и в настоящее время. Но если (ох, какое это большое «если») представить себе, что в небольшом тёплом пруду, содержащем всевозможные аммонийные и фосфорные соли, при наличии света, тепла, электричества и т.п. образовался бы химическим путём белок, готовый претерпеть ещё более сложные превращения, то в наши дни такой материал непрерывно пожирался бы или поглощался, чего не могло случиться до того, как появились живые существа».
Признанию и широкому распространению теории А.И. Опарина во многом способствовало то, что процессы абиогенного синтеза органических молекул легко воспроизводятся в модельных экспериментах.
Возможность синтеза органических веществ из неорганических была доказана ещё с начала 19 в. Уже в 1828 году выдающийся немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал органическое вещество — мочевину – из неорганическою — циановокислого аммония. Однако возможность абиогенного синтеза органических веществ в условиях, близких к условиям древней Земли, была впервые показана в опыте С. Миллера.
В 1953 г. молодой американский исследователь Стенли Миллер воспроизвел в стеклянной колбе с впаянными в нес электродами первичную атмосферу Земли, которая, по мнению ученых того времени, состояла из водорода Н2, метана СН4, аммиака NH и паров воды Н20 (рис. 2.4.1.2). Через эту газовую смесь С. Миллер в течение недели пропускал электрические разряды, имитирующие грозовые. По окончании эксперимента в колбе были обнаружены α-аминокислоты (глицин, аланин, аспарагин, глутамин), органические кислоты (янтарная, молочная, уксусная, гликоколовая), у-оксимасляная кислота, простые сахара, такие как рибоза, и мочевина. После этого Орджел в Институте Солка в сходном эксперименте синтезировал нуклеотидные цепи длиной в 6 мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты).
Позднее
возникло предположение, что в первичной
атмосфере в относительно высокой
концентрации содержалась двуокись
углерода. Эксперименты, проведённые с
использование установки Миллера, в
которую, однако, поместили смесь СО2
и Н2О
и только следовые количества других
газов, дали такие же результаты, какие
получил Миллер.
В 1961 году Хуан Оро из альдегидов и синильной кислоты HCN, полученных в эксперименте Миллера, синтезировал серин, рибозу и аденин. Как известно, из рибозы, аденина и трифосфата возникает аденозинтрифосфат (АТФ), который используется в организме в качестве энергоносителя и строительного элемента (как монофосфат) рибонуклеиновых кислот (РНК). А это доказывает возможность дальнейшего образования в процессе химической эволюции сложных органических веществ.
Теорию Опарина подтверждают и палеонтологические данные. Первые органические молекулы найдены в слоях, соответствующих возрасту 3,8 млрд лет назад.
Теория Опарина завоевала широкое признание, но она оставляет нерешёнными проблемы, связанные с переходом от сложных органических веществ к простым живым организмам. Именно в этом аспекте теория биохимической эволюции предлагает общую схему, приемлемую для большинства современных биологов. Однако они не пришли к единому мнению о деталях этого процесса.