Теория Бартоломью и Лоиса Наша
При воздействии энергии на смесь первичных газов образуются не только малые органические молекулы - неизменно обнаруживается также и полимерный материал, в состав которого обычно входит почти весь углерод, участвовавший в реакции. Этот, в основном гидрофобный материал не удается полностью охарактеризовать с химической точки зрения. В обычных экспериментах с электрическим разрядом он выявляется в форме осадка (конденсата) на электродах и на стенках реакционного сосуда. Полимеры образуются также и тогда, когда электрическая искра проходит через смесь газов и достигает поверхности воды. В этом случае органический материал выпадает в виде тонкой маслянистой пленки на поверхности воды. При перемешивании или встряхивании пленка отделяется от поверхности и образуются сферулы размером от 1 до 20 мкм в диаметре, а также более сложные структуры. Новообразовавшиеся сферулы имеют тонкую гидрофобную мембрану, которая окружает другой мембраноподобный материал и часть водного раствора.
Подобные органические микроструктуры, очевидно, являются результатом самосборки полимерного материала на поверхности воды. Завершив самосборку, они медленно опускаются на дно водоема. Но если регистрировать скорость образования этих структур путем простого подсчета под микроскопом их количества через различные промежутки времени после начала реакции в искровом разряде, наблюдается удивительная вещь: число микроструктур экспоненциально возрастает со временем. Это свидетельствует о том, что одна структура, по-видимому, служит центром для самосборки других.
Протоклетки образовывались в первобытных водоемах из полимерного вещества одновременно с образованием органических соединений.
Итак, для образования протоклеток не требуются специальные концентрационные механизмы. Протоклетки в большом количестве находились в водоемах с самого начала, образуясь при воздействии энергии на первичные газы и пленку. После образования они опускаются на дно водоема, где оказываются защищенными от разрушительного действия сильного ультрафиолетового излучения.
Дают ли древнейшие горные породы какие-нибудь непосредственные доказательства существования протоклеток? Как можно отличить подобные структуры от остатков истинно биологических структур?
Для ответа на эти вопросы был разработан ряд методов. В одном из них осадочную породу растворяли в смеси плавиковой и соляной кислот. При этом минеральная основа растворялась, а неповрежденное органическое вещество высвобождалось, и его исследовали затем под микроскопом. При изучении другим методом минералы разрезали на тонкие пластинки, полировали их и искали под микроскопом ископаемые клетки. Это утомительный труд: для того чтобы обнаружить ископаемые клетки, необходимо просмотреть многие и многие образцы. Сбор и установление возраста древних пород сами по себе являются нелегкой задачей. Еще труднее решить, какие критерии биогенности применить к наблюдаемым ископаемым образованиям органического происхождения.
Бартоломью и Лоис Наш и их сотрудники в Аризонском университете дали описание древнейших из известных органических микроструктур, имеющих возраст 3769 ±70 млн. лет, которые были найдены в слюдистом метакварците из Исуа (Гренландия). Эти микроструктуры идентичны микроструктурам, образующимся при искровом разряде над поверхностью воды.
Эти данные приводят нас к убеждению, что эволюция протоклеток продолжалась в течение огромного периода времени, начиная от первых протоклеток около 4500 млн. лет назад и достигая наивысшей точки примерно через 1500 млн. лет, когда появились бактерии и сине-зеленые водоросли. В эту раннюю эпоху у протоклеток появились и эволюционировали генетический и белоксинтезирующий аппараты, а также обусловленный этими двумя аппаратами наследуемый обмен веществ.
Предбиологическая эволюция протобионтов осуществлялась в трех главных направлениях. Важное значение имело совершенствование каталитической (ферментной) функции белков. Один из путей, дающих требуемый результат, заключается, по-видимому, в образовании комплексов металлов с органическими молекулами. Так, включение железа в порфириновое кольцо гемоглобина увеличивает его каталитическую активность в сравнении с активностью самого железа в растворе в 1000 раз. Развивалось такое свойство биологического катализа, как специфичность. Во-вторых, исключительная роль в эволюции протобионтов принадлежит приобретению полинуклеотидами способности к самовоспроизведению, что сделало возможным передачу информации от поколения к поколению, т. е. сохранение во времени. В основе этой способности лежит матричный синтез. Механизм матричного синтеза был использован также для переноса информации с полинуклеотидов на полипептиды. Третье главное направление эволюции протобионтов состояло в возникновении мембран. Отграничение от окружающей среды мембраной с избирательной проницаемостью превращает протобионт в устойчивый набор макромолекул, стабилизирует важные параметры обмена веществ на основе специфического катализа.