18.2 Теория абиогенного происхождения жизни а.И. Опарина

В современном естествознании наиболее обоснованной выглядит теория абиогенного происхождения жизни, выдвинутая в 1923 г. российским биохимиком А.И. Опариным (1894 — 1980). Она основывается на физико-химических представлениях об условиях, имевшихся на ранней Земле, связывая их с геологической эволюцией, эволюцией химических элементов Солнечной системы, а также активностью Солнца, и удовлетворяет упомянутым выше условиям возникновения жизни. Основной идеей этой теории было обоснование того, что зарождение жизни — это длительный процесс зарождения живой материи в недрах неживой. Опарин предположил, что сложные органические соединения возникли в океане из более простых соединений. Разнообразие этих простых соединений в атмосфере и протоокеане, обилие солнечной энергии, действовавшей длительное время, привели к образованию «первичного бульона», в котором стали возникать более сложные органические соединения и конгломераты их в виде так называемых коацерватных капель. Причем это был процесс самопроизвольного превращения неорганических соединений в «кирпичики жизни» — биомолекулы: аминокислоты, нуклеотиды, полисахариды и т.д., которые мы более подробно рассмотрим дальше. «Коацерватная» идея А.И. Опарина об абиогенном, т.е. небиологическом, происхождении преджизненных форм материи, возникновении под действием электрических разрядов и коротковолнового излучения органических молекул без участия живых организмов была экспериментально доказана американским ученым С. Миллером в 1953 г. Удалось создать сходные условия при наличии электрических разрядов в атмосфере смеси метана, аммиака и воды. В результате реакции появились некоторые вещества, которые входят в состав живых организмов: аминокислоты, глутаминовые кислоты и простые сахара, а впоследствии и нуклеиновые кислоты. Появилась «жизнь в пробирке»! Органические соединения должны были возникать в этих восстановительных условиях при наличии энергии и вдали от равновесия.

Процесс биохимической эволюции по Опарину можно представить в виде нескольких этапов:

• Переход воды в процессе охлаждения Земли из парообразного состояния в жидкое, образование раздельных атмосферы и гидросферы и последующая их эволюция. При этом шел синтез простейших неорганических соединений.

• Образование из неорганических соединений (Н₂, O₂, СO₂, ΝΗ₃ и СН₄) органических и накопление их в первичном океане в результате энергетического воздействия Солнца, электрических разрядов, космического излучения.

• Постепенное усложнение органических соединений и образование белковых структур.

• Выделение белковых структур из среды, образование гидрофильных комплексов и создание вокруг белков водной оболочки. Эти комплексы, согласно терминологии Опарина, и образуют коацерваты, составные части которых (полипептиды, полинуклеотиды) выработали способность обмениваться энергией и веществом с отделенной от них окружающей средой и резко увеличивать скорость биохимических реакций. Это в дальнейшем привело к ускорению темпов в целом всей эволюции живого во времени.

Так, от протобионтов до появления аэробов (организмов, существующих в кислородной среде, «питающихся» кислородом O₂) потребовалось 3 млрд. лет, до образования растений и животных ~500 млн. лет, птиц, млекопитающих и первых позвоночных — около 100 млн. лет, приматов — 12—15 млн. лет, человека — 3 млн. лет. Здесь свою роль сыграли и многие другие факторы, в частности законы естественного отбора и приспособляемости живых организмов к изменяющимся условиям внешней среды, а на уровне «химии жизни» — появление ферментов и автокаталитических реакций.

• В результате образования гидрофобных липидных границ между коацерватами и внешней средой создание полупроницаемых мембран, обеспечивающих стабильность функционирования коацервата.

• Связывание друг с другом нуклеотида коацерватов по принципу дополнительности с образованием цепи молекул. Обеспечение эволюции сложных соединений путем саморегуляции.

• Появление возможности самовоспроизводства при возникновении генетического кода. Предполагают, что таким образом образовалось живое вещество. Согласно концепции В.И. Вернадского, в образовавшейся биосфере есть косное вещество, которое остается неизменным, и живое вещество, изменяющееся в процессе эволюции. Живое вещество влияет на ход эволюции. Современные условия жизни на Земле в значительной степени созданы жизнедеятельностью организмов. Так, практически весь кислород, содержащийся в атмосфере Земли в настоящее время, — это продукт фотосинтеза, происходящего в живых организмах — растениях.

В.И. Вернадский связывал возникновение жизни с гигантским скачком (бифуркацией — в рамках синергетики), который прервал безжизненную эволюцию земной коры и внес в нее столько противоречий, что они смогли породить жизнь, «не как возникновение какого-то отдельного живого организма, а именно их совокупности, отвечающей геохимическим требованиям жизни». Коацерваты как предвестники в дальнейшем клетки живого организма смогли уже «жить сами по себе»: увеличиваться в размерах, делиться на части, обмениваться энергией и веществом с окружающей средой, участвовать в химических реакциях и т.д.

В результате этого возник первичный круговорот веществ в природе, связанный со взаимным адиабатическим обменом органических веществ в процессах их синтеза и распада. При этом уже можно считать, что шел процесс естественного отбора и на этом уровне более устойчивые соединения сохранялись, а малоустойчивые распадались. В процессе отбора оставались такие коацерваты, которые не теряли структуры даже при своем делении, что характеризует самоорганизацию и самопроизводство. Если при этом в коацерват попадала молекула, также способная к воспроизведению, и происходила перестройка оболочки коацервата, то могла образоваться простейшая живая клетка, а из нее при получении энергии и вещества из первичного бульона — развиться и простейший организм.

А. И. Опарин считал, что когда в процессе этого обмена и химических реакций появились нуклеиновые кислоты, процесс химической эволюции как борьбы протобионтов заканчивался. Переход к живому осуществлялся, когда на «смену соревнованию в скорости роста приходила борьба за существование». При появлении надежного механизма воспроизведения генетической информации процесс непосредственного возникновения жизни завершился, эра химической эволюции закончилась, началась эра биологической эволюции, время естественного отбора. В этих условиях уже недостаточно было просто выжить, нужно было быть способным получать энергию наиболее эффективно и оптимально ее использовать для своего развития.