5. Концепция биохимической эволюции
В 20-е годы XX века гипотеза возникновения жизни на основе химической эволюции была детально разработана российским академиком Александром Ивановичем Опариным (1894–(18940302)1980) и, независимо от него, английским ученым-естествоиспытателем Джоном Холдейном (1892–1964).
По мнению А.И.Опарина, жизнь возникла в воде (в «бульоне») первичного мирового океана, где из неорганических веществ формировались прямые предшественники протоклеток – коацерваты.
4 млрд лет назад атмосфера земли состояла из аммиака (NH3), метана (CH4), углекислого газа (CO2) и паров воды (H2O). По современным данным аммиак и метан, возможно, отсутствовали, но не исключается наличие водорода (Н2), хлора (Cl2), азота (N2), сероводорода (H2S).
Газы вырывались из остывающего центра земного «облака». Кислород не доходил до атмосферы, окисляя по пути различные вещества. Когда температура поверхности упала ниже 100 градусов, начался период горячих дождей, сформировался мировой океан, многочисленные моря и мелкие водоемы.
Этапы биохимической эволюции по Опарину:
1-й этап - синтез органических веществ.
В горячей воде хорошо растворялись атмосферные газы, а также минеральные соли и другие вещества, приносимые горячими источниками и вулканами. Атмосфера и поверхность земли подвергались действию космического излучения, включавшего ультрафиолетовый свет от солнца, радиоактивные частицы, гамма-излучение. Были частые и сильные грозы, дававшие мощное электромагнитное излучение.
В этих условиях из газов в воде возникали простые органические соединения: HCN, CH3-CH3, CH2=CH2, CH2=O (формальдегид), а из них и более сложные: полимерные углеводороды типа СН3-СН2-СН2 -...-СН3, карбоновые кислоты СН3-СООН, СН3-СН2-СН2-...-СООН.
Путем присоединения к этим веществам азота в форме аминогрупп (-NH2) легко могли формироваться аминокислоты: NH2-CH®-COOH, где R- изменчивый радикал, а группы -NH2 и -СООН представляют боковые «ручки» для полимеризации аминокислот в белок. Аналогично можно вывести из простых органических предшественников мочевину, глицерин, липиды, углеводы, азотистые основания и, далее, через полимеризацию нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК.
Предсказание академика А.И. Опарина оправдалось. Американский биолог Жак Леб еще в 1912 г. первым получил из смеси газов под действием электрического разряда простейший компонент белков – аминокислоту глицин. Возможно, кроме глицина, он получил и другие аминокислоты, но в то время еще не было методов, позволяющих определить их малые количества.
Открытие Ж. Леба прошло незамеченным, поэтому первый абиогенный синтез органических веществ (т.е. идущий без участия живых организмов) из случайной смеси газов совершили в 1953 г. американские ученые Гарольд Юри и Стенли Миллер.
С. Миллер и Г. Юри получили под действием электрических разрядов напряжением до 60 000 В, имитирующих молнию, из водорода, метана, аммиака и паров воды под давлением в несколько Паскалей при t = 80 °С сложную смесь из многих десятков органических веществ. Среди них преобладали органические кислоты – муравьиная, уксусная и яблочная, их альдегиды, а также аминокислоты (в том числе глицин и аланин).
Установка, на которой Миллер и Юри
получили аминокислоты и другие органические вещества
Опыты С. Миллера и Г. Юри были многократно проверены на смесях разных газов и при разных источниках энергии (солнечный свет, ультрафиолетовое и радиоактивное излучение и просто тепло). Органические вещества возникали во всех случаях.
Позднее американец С. Фокс при нагревании смеси аминокислот синтезировал и сам белок - в виде простейшего полипептида. Были получены также и нуклеотиды - предшественники ДНК и РНК.
2-й этап - концентрирование органических веществ в коацерватных каплях.
В присутствии электролитов (растворенных солей) органические вещества отделяются от общего раствора в виде геля - более концентрированного раствора с гидрофобными, водородными и другими дополнительными связями между молекулами и образуют многомолекулярные комплексы - коацерваты.
Искусственные коацерваты могли поглощать из окружающего раствора различные вещества, имитируя питание и рост. Эти вещества преобразовывались в результате химических реакций, а продукты выделялись во внешнюю среду. Таким образом, происходил примитивный обмен веществ. При достижении определенных размеров материнские коацерватные капли распадались (делились) на дочерние, которые в свою очередь продолжали расти.
Опарин даже считал, что между коацерватами шла борьба за существование, и «выживали» более устойчивые, приспособленные к данной среде.
Но даже сложные коацерваты, если они действительно формировались в первобытных
морях, еще не представляли живые системы; это могла быть лишь стадия преджизни.
3-й этап - возникновение механизма генетического кодирования и воспроизведения жизни и формирование пробиотов
Классическая версия предполагает возникновение и включение в коацерваты нуклеиновых кислот и белков-ферментов.
Некоторые ученые считают, что первой возникла РНК, а уже потом появилась способность к синтезу белков с матрицы РНК и еще позже - с ДНК.
С появлением в среде липидов возникли мембраны (как образуются тончайшие масляные пленки на поверхности воды) и появилась возможность более надежной изоляции коацерватных капель. Это надмолекулярное образование уже можно было бы назвать простейшей клеткой.
Современная наука уже располагает знаниями, достаточными, чтобы утверждать: жизнь возникла на первобытной Земле вполне естественным путем как процесс самоорганизации, на основе преобразования неорганических субстратов в органические макромолекулярные комплексы и, далее, в протоклетки.
Согласно современным данным, можно выделить три стадии формирования жизни на Земле: химическая эволюция, химико-биологическая эволюция и биологическая эволюция.