Следующим этапом, по мнению А. И. Опарина, было образование многомолекулярных комплексов — коацерватов.
Рис. 85. Опыт, имитирующий условия первичной атмосферы Земли
Трубка
для удаления во
Камера
для искровых разрядов
Охлаждающее
устройство
(конденсатор)
|—
Охлаждающая вода
расти за счет синтеза новых соединений, происходящего с
участием химических веществ, поступающих в них из рас- творз..
Коацерваты — это еще не живые существа. У них проявляются лишь некоторые признаки, характерные для жи-
средойРГаНИЗМ°В’ ~ Р°СТ И °бМеН веществ с окружающей
А. И. Опарин полагал, что решающая роль в превращениях неживого в живое принадлежит белкам. Белковые ко- адерваты он рассматривал как пробионтпы - предшественники живого организма. В коацерватные капли из внешней среды поступали ионы металлов, выступавшие в качестве первых катализаторов. Из огромного количества химических соединении, присутствовавших в «первичном бульоне», отбирались наиболее эффективные в каталитическом отношении комбинации молекул, что в конечном счете привело к появлению ферментов.
На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны.
Предполагается, что на определенном этапе белковые про- оионты включили в себя нуклеиновые кислоты, создав единые комплексы.
Взаимодействие белков и нуклеиновых кислот привело к возникновению таких свойств живого, как самовоспроизведение, сохранение наследственной информации и ее передача последующим поколениям.
Пробионты, у которых обмен веществ сочетался со способностью к самовоспроизведению, можно уже рассматривать как примитивные проклетки, дальнейшее развитие которых происходило по законам эволюции живой материи. Дж. Холдейн также выдвинул гипотезу абиогенного происхождения жизни. Согласно его взглядам, впервые изложенным в 1929 г., первичной была не коацерватная система, способная к обмену веществ с окружающей средой, а макромолекулярная система, способная к самовоспро- изводству. Другими словами, А. И. Опарин отдавал первенство белкам, а Дж. Холдейн — нуклеиновым кислотам.Гипотеза Опарина — Холдейна завоевала много сторонников, так как возможность абиогенного синтеза органических биополимеров получила экспериментальное подтверждение.Однако она имеет и слабую сторону, на которую указывают ее оппоненты. В рамках данной гипотезы не удается объяснить главную проблему: как произошел качественный скачок от неживого к живому.
Современные гипотезы происхождения жизниВ настоящее время подавляющее большинство ученых поддерживают идею абиогенного зарождения жизни в процессе биохимической эволюции. Но вопросы о том, где и когда происходил абиогенный синтез органических соедине-Поддерживают идею абиогенного зарождения жизни в процессе биохимической эволюции. Но вопросы о том, где и когда происходил абиогенный синтез органических соединений, а главное — как произошел качественный скачок от неживого к живому, пока остаются спорными.
А. И. Опарин считал, что первые живые организмы появились 3,5—3 млрд лет назад. Значит, долгое время на Земле шла химическая эволюция, приведшая к образованию первых живых организмов. Однако современные биохимические и геохимические данные все больше свидетельствуют в пользу того, что жизнь на нашей планете зародилась значительно раньше. В связи с этим многие ученые считают, что образование основной массы органических соединений произошло за пределами Земли, в период, предшествовавший ее формированию. Действительно, органические соединения обнаружены в телах Солнечной системы, в частности в некоторых типах метеоритов. Метеориты, выпадая на поверхность сформировавшейся Земли, обогащали ее органическими соединениями, которые могли включаться в дальнейшую химическую эволюцию. Сейчас достоверно известно, что химическая эволюция соединений углерода протекает практически на всех космических объектах, но уровня, необходимого для возникновения предклеточных структур и, далее, первичных организмов, такая эволюция, по мнению ученых, может достигнуть лишь на планетах типа Земли. Наиболее сложен для объяснения вопрос: как в процессе химической эволюции произошло объединение двух функций — каталитической, присущей белкам-ферментам, и информационно-генетической, которую выполняют нуклеиновые кислоты (ДНК). Ведь только в этом случае возможен качественный скачок от неживого к живому. Сторонники химической эволюции считали, что на протяжении многих миллионов лет в «первичном бульоне» происходили постоянные взаимодействия различных молекул, которые в конечном счете случайно привели к удачному сочетанию и образованию такого белково-нуклеинового комплекса в пробионте. Скептики же совершенно справедливо отмечали, что вероятность такой счастливой случайности практически равна нулю. Возможно, ключ к пониманию данной проблемы дадут открытия, сделанные при изучении РНК. Считалось, что носителем генетической информации является только ДНК, но оказалось, что РНК также обладает «генетической памятью». Более того, некоторые РНК имеют явно выраженную каталитическую активность и способны к саморепродукции в отсутствие белковых ферментов. Таким образом, древняя РНК могла совмещать в себе каталитические и информационно-генетические функции, что обеспечивало макромолекулярной системе способность к саморепродукции . Если данное предположение верно, то, очевидно, дальнейшая эволюция шла в направлении РНК —> белок -> ДНК. Таким образом, в настоящее время мы не можем считать, что проблема происхождения жизни решена. Ученые продолжают искать наиболее перспективные пути ее решения. Большую роль в этих поисках могли бы сыграть данные космических исследований: теоретически жизнь возможна и в других областях Вселенной.
Считалось, что носителем генетической информации является только ДНК, но оказалось, что РНК также обладает «генетической памятью». Более того, некоторые РНК имеют явно выраженную каталитическую активность и способны к саморепродукции в отсутствие белковых ферментов. Таким образом, древняя РНК могла совмещать в себе каталитические и информационно-генетические функции, что обеспечивало макромолекулярной системе способность к саморепродукции .
Если данное предположение верно, то, очевидно, дальнейшая эволюция шла в направлении РНК —> белок —» ДНК.
Таким образом, в настоящее время мы не можем считать, что проблема происхождения жизни решена. Ученые продолжают искать наиболее перспективные пути ее решения. Большую роль в этих поисках могли бы сыграть данные космических исследований: теоретически жизнь возможна и в других областях Вселенной.
Основные этапы развития жизни на Земле
В настоящее время не вызывает сомнения тот факт, что жизнь, прежде чем она достигла современного многообразия, прошла длительный путь эволюции.
нашей планете. И хотя они предлагают различные подходы к решению данной проблемы, большинство из них предполагает наличие трех эволюционных этапов: хими-
(рис °87) ПР6Д Л°ГИЧеСКОЙ И биологическ°й эволюции
«Г™6 химической эволюции происходил абиогенный синтез органических полимеров. На втором этапе формировались белково-нуклеиново-липоидные комплексы (ученые называли их по-разному: коацерваты, гиперциклы, пробион-
J, прогеноты и т. д.), способные к упорядоченному обмену
Наша
эпоха
Первые клетки
о
^
к О
о: s
S
СП
J
ill
|?§
с5“
Пробионты
/IV
4 Млрд лет
Низкомолекмярные органические соединения
СН4
Исходные газы
5 Млрд лет
Первичная
Земля
Рис. 87. Основные этапы развития жизни
239
веществ и самовоспроизведению. В результате предбиологи- ческого естественного отбора появились первые примитивные живые организмы, которые вступили в биологический естественный отбор и дали начало всему многообразию органической жизни на Земле.
Большинство ученых считают, что первыми примитивными живыми организмами были прокариоты. Они питались органическими веществами «первичного бульона»; энергию получали в процессе брожения, т. е. были анаэробными гетеротрофами.
С
увеличением численности гетеротрофных
прокариотических клеток запас
органических соединений в первичном
океане истощался. В этих условиях
значительное преимущество при отборе
получали организмы, способные к
автотрофности, т. е. к синтезу органических
веществ из неорганических за счет
реакций окисления и восстановления.
Видимо, первыми автотрофными организмами
были хемосинтезирующие бактерии.
Следующим этапом было развитие реакций
с использованием солнечного света —
фотосинтез.
Рис. 88. Происхождение эукариотических клеток и их органоидов путем впячивания клеточной мембраны: А — проклетка; Б — клетка гипотетических прокариот;
В, Г — клетки на стадии формирования митохондрий, ядра и пластид соответственно; Д, Е — клетки животных и растений; 1 — кольцевая ДНК прокариот; 2 — митохондриальное впячивание;
— митохондрии;
— пластидное впячивание; 5 — хлоропласты;
— ядерное впячивание;
— ядро; 8 — хромосомы
«». РеЗУЛЬТате Фотосинтеза в земной атмосфере начал
воан™»ТЬСЯ Кислород' Это явил°<* предпосылкой для озникновения в ходе эволюции аэробного дыхания Сно-
во АТФ„СИНТеЗИР0ВаТЬ ПРИ дыхавии боль“ее колйчест- ГТnt я П03В0ЛИЛа организмам расти и размножаться бы-
ществ. ТаКЖ6 УСЛОЖНЯТЬ свои структуры и обмен ве-
Большинство ученых считает, что эукариоты произошли от прокариотических клеток. Существуют две наиболее при™ Г— происхождения эукариотических клеток и их органоидов.
Первая гипотеза связывает происхождение эукариотиче- скои клетки и ее органоидов с процессом впячивания клеточной мембраны (рис. 88).
Больше сторонников имеет гипотеза симбиотического происхождения эукариотической клетки. Согласно этой гипотезе, митохондрии, пластиды и базальные тельца ресничек и жгутиков эукариотической клетки были когда-то сво- оодноживущими прокариотическими клетками. Органоидами они стали в процессе симбиоза (рис. 89).
Рис.
90.
Схема, иллюстрирующая гипотезу
происхождения клеток от прогенота
В пользу этой гипотезы свидетельствует наличие собственных РНК и ДНК в митохондриях и хлоропластах. По строению РНК митохондрии сходны с РНК пурпурных бактерий, а РНК хлоропластов ближе к РНК цианобактерий.
Данные, полученные в последние годы в результате изучения строения РНК у различных групп организмов, возможно, заставят пересмотреть устоявшиеся взгляды.
Сравнивая последовательность нуклеотидов в рибо- сомных РНК, ученые пришли к выводу, что все живые организмы можно отнести к трем группам: эукариотам, эубакте- риям и архебактериям (две последние группы — прокариоты).
Поскольку генетический код во всех трех группах один и тот же, была выдвинута гипотеза, что они имеют общего предка, которого назвали «прогенот» (т. е. прародитель). Предполагается, что эубактерии и архебактерии могли произойти от прогенота, а современный тип эукариотической клетки, по-видимому, возник в результате симбиоза древнего эукариота с эубактериями (рис. 90).
Гипотеза симбиотического происхождения эукариотических клеток. Гипотеза происхождения эукариотических клеток и их органоидов путем впячивания клеточной мембраны. Прогенот. Эубактерии. Архебактерии.