3.7. Образование органических веществ и зарождение протоклетки

В условиях современной Земли естественного образования органических соединений из неорганических практически не происходит. Тем более невозможно возникновение живой органики. Что касается ранней Земли, то условия на ней были совершенно другими. Восстановительная атмосфера с высокой концентрацией водорода, метана и аммиака, интенсивное ультрафиолетовое излучение Солнца, не поглощаемое такой атмосферой, и мощные электрические разряды в атмосфере создавали необходимые и, видимо, достаточные условия для образования органических соединений. Действительно, лабораторные эксперименты, проведенные в условиях, моделирующих предполагаемую атмосферу ранней Земли, позволили получить ряд органических соединений, в том числе аминокислоты, входящие в состав живых белков.

Отсутствие кислорода в атмосфере явилось необходимым условием для самопроизвольного синтеза органики. Однако с точки зрения последующих превращений этот фактор оказался деструктивным. В самом деле, лишенная кислорода атмосфера практически свободно пропускает мощное ультрафиолетовое излучение (атмосфера современной Земли обладает возникшим вместе с кислородной составляющей озоновым слоем, который поглощает это излучение). Излучение, обеспечивая энергией химические реакции синтеза органических соединений, в то же время стремится сразу же их уничтожить. Поэтому образовавшиеся в атмосфере биополимеры, липиды и углеводороды, едва возникнув, были обречены. Для того чтобы не погибнуть, им необходимо было укрыться от губительного воздействия солнечного ультрафиолета. Считается, что часть этих органических соединений избежала гибели, попав в водную среду первичных водоемов.

Здесь, в водной среде, органические соединения вступали в разнообразные химические реакции, среди которых преимущество приобретали реакции, приводившие к саморазвитию наиболее активных катализаторов. Природа весьма жестко вела естественный отбор реакций циклического типа, способных к самоподдержанию, в том числе за счет энергии, выделяемой в ходе реакции. Проблема энергетического обеспечения эволюционных реакций, в частности реакций полимеризации (объединение однотипных молекул – мономеров в макромолекулы) выглядит наиболее важной на этом этапе эволюции, поскольку водная среда мало способствует активизации химических реакций. Именно поэтому «выжить» могли только высокоэнергетические реакции с участием особо эффективных, саморазвивающихся катализаторов.

Здесь наступил один из узловых моментов развития. Допустим, что необходимые для перехода к биоэволюции химические реакции возникли и приобрели свойство самоподдержания. Для их сохранения (и, конечно же, дальнейшего развития) соответствующие объемы должны быть как-то изолированы от неорганизованной окружающей среды, не потеряв при этом возможности обмениваться с ней веществом и энергией. Одновременное выполнение двух этих, на первый взгляд, несовместимых условий было обязательным для выхода химической эволюции на качественно новый уровень.

Такая возможность нашлась благодаря образованию из липидов особых структур – мембранных оболочек. Результаты современных лабораторных экспериментов дают основания полагать, что при определенной концентрации липидов в воде и внешних условиях, моделирующих состояние атмосферы и гидросферы тогдашней Земли, происходит характерный процесс самоорганизации, приводящий к самосборке липидных оболочек со свойствами мембран.

Далее нетрудно допустить, что процессы отбора циклических каталитических реакций и самосборки липидных оболочек совпали во времени и в пространстве. Так вполне могли появиться природные образования, изолированные от деструктивного воздействия окружающей среды, но связанные с нею обменом веществ. Самоподдерживающиеся реакции стали протекать в своеобразном реакторе, способствующем сохранению существенной неравновесности заключенной в нем системы биополимеров. Теперь положение химических реагентов приобрело упорядоченность, процессы адсорбции на оболочке способствовали повышению их концентрации и, тем самым, активизации каталитического эффекта. По сути, состоялся переход от химических смесей к организованным системам, приспособленным к дальнейшему восходящему развитию.

Рассматривается также и ряд других моделей, приводящих к подобному важному, но всё же промежуточному событию на пути перехода к биологической эволюции. Одна из них рассматривает процессы, связанные с образованием в атмосфере исходных органических соединений, в предположении, что ранняя Земля с ее разреженной восстановительной атмосферой была холодным телом, имевшим температуру порядка – 50°С. Существенным пунктом этой модели является предположение о том, что атмосфера в этих условиях была ионизована, т. е. находилась в состоянии холодной плазмы. Эта плазма считается основным источником энергии для реакций химической эволюции. Предположение же о низкой температуре привлечено для объяснения сохранения образовавшихся в атмосфере биополимеров: замерзая, они выпадали на ледяной покров Земли и в этом природном холодильнике хранились «до лучших времен». В таком виде ультрафиолетовое излучение и мощные разряды электричества были для них уже не столь опасны.

Далее предполагается, что «лучшие времена» наступили с активизацией тектонической деятельности, началом массового извержения вулканов. Выделение продуктов вулканической деятельности в атмосферу привело к ее уплотнению и смещению границы ионизации в более высокие слои. С изменением температурных условий ледяной покров, естественно, растаял, образовались первичные водоемы, в которых после размораживания начали активную химическую деятельность накопленные за длительное время биополимеры, липиды и углеводороды. Можно поэтому говорить об их высокой концентрации в «первичном бульоне» (так нередко называют образовавшуюся субстанцию), что явилось еще одним положительным фактором с точки зрения активизации химической эволюции.

Неоднократными экспериментами подтверждено, что в процессе размораживания липиды действительно демонстрируют самосборку, образуя микросферы с диаметром в десятки микрометров. Не суть важно, как оказываются внутри них биополимеры – проникают ли сквозь мембранный слой или липидная оболочка обволакивает их постепенно. Важно то, что в объеме, окруженном мембранной оболочкой, мог начаться новый этап эволюции – переход от химических реакций к биохимическим.

Что же касается решающего момента – перехода к простейшей клетке, то он может рассматриваться как результат характерного для самоорганизации вещества скачка. Для подготовки этого скачка в процессе химической эволюции должны были появиться еще некоторые структуры, способные выполнять необходимые для протоклетки функции. Такими структурными фрагментами считаются группировки, обеспечивающие перенос заряженных частиц, что необходимо для транспорта вещества. Другие группировки должны обеспечить снабжение энергией – в основном это молекулы фосфоросодержащих соединений (система АДФ–АТФ). Наконец, необходимо образование полимерных структур типа ДНК и РНК, главная функция которых – служить каталитической матрицей для самовоспроизводства.

Не следует упускать из виду еще один узловой момент, связанный с нарушением изомерной симметрии. Каким образом произошел выбор в пользу левовращающего органического вещества, можно только догадываться, однако то, что эта флуктуация непосредственно предшествовала зарождению жизни, представляется совершенно естественным. Можно предполагать, что биологическая эволюция была «запущена» возникновением левовращающей протоклетки.