Проблемы биосинтеза и выход из них
Однако, гипотеза А.И.Опарина не объясняет:
- почему при образовании N-оснований не происходили реакции замещения и присоединения
в их боковых группах (то есть почему N-основания ограничены в размерах); - почему молекулы ДНК и РНК — это регулярные последовательности N-оснований, рибоз и фосфатных групп;
- почему все молекулы нуклеиновых кислот сходны по химическому составу и структуре,
но имеют определенные различия - и многое другое.
Тем не менее, начиная с 80-х годов XX века, когда были открыты каталитические (ферментативные) функции РНК,
именно этот класс молекул по праву считается главным кандидатом на роль «первой молекулы жизни».
Скорее всего, первыми репликаторами были молекулы РНК, катализирующие синтез собственных копий.
Однако между РНК и простыми органическими соединениями, возникающими в результате абиогенного синтеза, оставалась незаполненная брешь.
Биохимикам до сих пор не удалось подобрать реалистичные условия, в которых из готовых «строительных блоков» —
азотистых оснований, рибозы и фосфорной кислоты, которые могли возникнуть абиогенным путем, —
сами собой синтезировались бы рибонуклеотиды. На сегодняшний день удалось нащупать два пути решения этой проблемы:
-
Первый из них основан на предположении, что изначально в роли «вещества наследственности» выступали не РНК,
а другие нуклеиновые кислоты, которые в ходе дальнейшей эволюции были замещены привычными нам РНК.
Кандидатами на роль таких молекул являются искусственно синтезированные, не встречающиеся в живой природе
ПНК (Peptide nucleic acid), ТНК (Threose nucleic acid) и ГНК (Glycerol nucleic acid).
Эти молекулы, с одной стороны, легче синтезируются абиогенным путем, чем РНК,
с другой — вполне способны выполнять роль «вещества наследственности». -
Второй обходной путь разрабатывается химиком Джоном Сазерлендом (John Sutherland) и его коллегами
из Манчестерского университета (Великобритания).
Они обнаружили, что синтезировать РНК куда легче не из готовых крупных блоков — сахаров и азотистых оснований —
а из более простых органических молекул, таких как формальдегид.
Возможно, в ходе химической эволюции между простейшими органическими веществами и РНК
вовсе не было промежуточного этапа накопления сахаров и азотистых оснований.
Из оставшихся загадок ключевое значение имеет проблема появления у молекул РНК способности к самовоспроизведению,
однако и эта проблема постепенно решается.
Важный шаг здесь сделали Трейси Линкольн и Джеральд Джойс — им удалось подобрать несколько пар молекул РНК
с каталитической активностью (рибозимов), которые успешно реплицируют (синтезируют копии) друг друга.
При такой взаимной репликации популяция рибозимов, при наличии ресурсов, может расти в геометрической прогрессии:
за 30 часов — в 100 млн. раз! Более того, заставив несколько разных пар размножающихся рибозимов конкурировать
друг с другом за субстрат, исследователи вынудили их начать дарвиновскую эволюцию.
В результате спонтанных мутаций и естественного отбора появились рекомбинантные рибозимы с повышенной скоростью размножения.
Однако, проблема самовоспроизведения РНК до конца не решена: размножающиеся пары рибозимов не могут использовать
в качестве исходного материала для сборки новых молекул РНК отдельные рибонуклеотиды:
они пока умеют работать лишь с олигонуклеотидами, т.е. с длинными фрагментами РНК, состоящими из многих рибонуклеотидов.
Тайна происхождения жизни скоро будет разгадана?
История воззрений
Представления о четко коррелируют с уровнем знаний конкретной эпохи. В древние времена, когда уровень знаний был еще мал, теории происхождения живого поражают своей фантастичностью. Приведем некоторые воззрения философов и натуралистов прошлого. Например, Эмпедокл (V в. до н.э.) считал, что деревья несут яйца. Аристотель (IV в. до н.э.) утверждал, что вши происходят из мяса, а клопы — из сока тела животных. Эти воззрения самозарождения жизни как таковой существовали вплоть до середины XVII века, когда английский философ Ф. Бекон (1561-1626) теоретически, а итальянский врач Ф. Реди (1626-1698) и Луи Пастер (1822-1895) практически доказали невозможность самозарождения жизни. Именно тогда начали формироваться эти два противоположных лагеря, две взаимоисключающие теории возникновения жизни — биогенез и абиогенез.
Биохимическая эволюция — что это за теория
Теорема
Как гласит теория биохимической эволюции, жизнь на планете Земля зарождалась тремя этапами. Первый — абиогенный синтез органики, второй — появление биополимеров, третий — появление структур с мембранами и возможности воспроизведения себе подобных структур.
Естествоведы утверждают: появление планеты Земля произошло 4,5-7 млрд лет назад. Это было облако пылевых частиц, которые имели очень высокую температуру. Местами она достигала 4-8 тыс. градусов по Цельсию. Когда начались процессы ее постепенного охлаждения, стало происходить перераспределение слоев, составляющих облако элементов. Результатом такого внутреннего движения стало расположение элементов с большой массой ближе к центру Земли, а с более легкой — кнаружи.
Жизнь в данной теории рассматривается как результат на первом этапе химической, а в последующем — биологической эволюции.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут
Впервые органические вещества образовались из простых химических элементов (водород, углерод, азот, кислород). Они, взаимодействуя друг с другом, образовывали такие вещества, как аммиак, метан, углеродные оксиды, сероводород. При этом постоянно образовывались водяные пары
Важно, что практически весь кислород связался с прочими элементами и в свободном виде не встречался. За счет тех же его молекул, которые вошли в состав простых органических веществ, синтезировались спирты, аминокислоты, альдегиды
Более сложные органические соединения присутствовали в воде первичных водоемов.
Земля постепенно снизила свою температуру, в ней образовалась кора, а вокруг сформировалась атмосфера. Когда ее температура опустилась до 100°C, запустился синтез органических соединений с простыми формулами (жирные кислоты, нуклеотиды, многоатомные спирты, аминокислоты, простые сахара и др.). Источником энергии при этом выступали грозовые разряды, излучения космических тел, ультрафиолетовые лучи из солнечного света. В то же время атмосфера еще не была «защитным экраном» — слоем, препятствующим интенсивному облучению земной поверхности ультрафиолетовыми лучами Солнца.
Такая абиогенная теория (утверждающая происхождение жизни из неорганики) была выдвинута ученым из России А.И. Опариным и англичанином Дж.Холдейном. Произошло это в 1924 и 1929 годах соответственно. Авторы выдвинули свои гипотезы, опираясь на утверждения Дарвина, что необходимым условием зарождения жизни является ее отсутствие. Кроме того, подтверждалось второе необходимое, по мнению Дарвина, требование — связанное состояние кислорода.
Плюсы и минусы биохимической теории
Теория Опарина-Холдейна имеет важное свойство: она последовательна и логична. В ней отсутствуют непонятные пропуски
Кроме последовательности, к числу ее плюсов следует отнести:
- Общепринятость среди ученых научного мира.
- Проверяемость (в лабораторных условиях элементарно можно воспроизвести каждый из представленных в теории этапов и, как доказательство, получить тот же результат).
В то же время есть и минусы:
- неконкретно расписано образование коацерватов;
- не дано объяснение, почему клетки приступили к самовоспроизведению;
- непонятно, каким образом аминокислоты стали полноценными белками.
Появление биологических мембран
Упорядоченные биологические структуры невозможны без биологических мембран. Поэтому следующим этапом в образовании жизни стало формирование именно этих структур, изолирующих и защищающих коацерваты от окружающей среды, превращающих их в автономные образования. Мембраны могли образоваться из липидных пленок, появлявшихся на поверхности водоемов. К молекулам липидов могли присоединяться пептиды, приносимые дождевыми потоками в водоемы или образовавшиеся в этих водоемах. При волнении водоемов или выпадении на их поверхность осадков могли возникать пузырьки, окруженные мембраноподобными соединениями. Для возникновения и эволюции жизни важны были те пузырьки, которые окружали коацерваты с белково-нуклеидными комплексами. Но и такие образования еще не были живыми организмами.
Абиогенный синтез
Абиогенный синтез — образование органических веществ вне живых организмов, в широком смысле — живого из неживого.
|
Абиогенный синтез аминокислот. |
Абиогенный синтез низших жирных кислот был обнаружен уже в опытах С. Синтез жирных кислот, содержащих до 12 углеродных атомов, продемонстрирован после воздействия электрическими разрядами на смесь метана и воды.
В процессе абиогенного синтеза таких соединений, как правило, образуются оптически неактивные ( рацемические) смеси, содержащие в равных количествах все возможные право — и лево-вращающие изомеры.
Теоретически при определенных условиях абиогенный синтез углеводородов в природе возможен. Но решающее значение должен иметь, видимо, масштаб этих процессов, могущий объяснить образование огромных количеств нефти в земных недрах.
|
Схема прибора С. Миллера. |
В настоящее время ряд процессов абиогенного синтеза сложных органических молекул, входящих в состав клеточных организмов, осуществлен в лабораторных условиях.
В настоящее время в разных лабораториях осуществлен абиогенный синтез многих биологически важных мономеров. Перечисленные в таблице аминокислоты образуются в простых по составу газовых или водных смесях в результате воздействия на них разными источниками энергии.
Одним из первых в 1953 г. провел опыты по абиогенному синтезу биохимически важных соединений С.
Некоторые исследователи высказали предположение, что нефть, будучи продуктом абиогенного синтеза, при миграции, проходя толщу осадочных пород, экстрагирует органическое вещество ( смолы и порфирины) или в процессе окисления приобретает порфирины и оптически деятельные вещества. Однако, как известно, нефти при миграции в какой-то степени фракционируются, в результате чего теряют высокомолекулярные вещества. Из этого следует, что нефти скорее всего теряют, а не приобретают порфирины.
Несмотря на то что ученым с помощью ультрафиолетового света, электрических разрядов пли высокой температуры удается осуществлять абиогенные синтезы многих сложных биологических молекул, в том числе и Сахаров, работа генетического аппарата и биохимические процессы самовоспроизводства растений, основанные на продуктах фотосинтеза, далеко еще не познаны.
Это лишний раз подтверждает принципиальное единство, однотипность процесса фоссилизации или углефикации 0В независимо от степени его концентрации и лишний раз опровергает домыслы неоргаников ( сторонников абиогенного синтеза нефти) о якобы аллохтонной природе рассеянных в породах углеводородов.
|
Вариации изотопного состава углерода в живых организмах, ОВ породы и нефтях ( по данным Е. Дегенса , С. Сильвермана , Э. М. Галимова 19 — 68 г., 19 2 г. ], С. И. Голышева . |
Вариации изотопного состава углерода в различных земных объектах, представленные в табл. 62, показывают, что наибольшая концентрация легкого изотопа С сосредоточена в углеводородных соединениях как биогенного, так и абиогенного синтеза, в ОБ и продуктах, генетически с ним связанных — нефтях, углях, сланцах. Значение б С в них изменяется от — 20 до — 31 % о. Минимальная концентрация С сосредоточена главным образом в карбонатах. На рис. 133 дано содержание изотопов углерода в различных природных объектах.
В основе органической теории лежат представления о том, что захороненное вместе с осадками органическое вещество ( ОВ), которое на протяжении длительной истории геологического развития проходит все стадии диагенеза и катагенеза, в результате абиогенного синтеза превращается в нефть. Под нефтью понимаются выделившиеся в отдельную фазу наиболее стойкие жидкие гидрофобные продукты обычного процесса фоссилизации ОВ, захороненного в субаквальных отложениях.
Попытки моделирования возникновения жизни
Согласно А.И.Опарину, архейская атмосфера |
Более 50 лет назад такие опыты начали выполнять С.Миллер и Г.Юри и другие.
Они из смеси аммиака, метана и водорода (предполагаемый состав древней атмосферы Земли),
пропуская через нее электрические разряды, имитировавшие молнии
получали простые органические вещества и простейшие аминокислоты
,
но ни рибозы, ни азотистые основания не были синтезированы.
В 1953 году Гарольд Юри и Стенли Миллер провели эксперимент, в ходе которого воссоздали представления тех лет
об условиях атмосферы Земли в катархее (4,6 – 4 млн лет назад).
Процесс включал пропускание электрического тока через колбу с реагентами.
В посуде были простые химические вещества, присутствующие на ранней Земле — вода, метан, аммиак и водород.
Электрический ток имитировал разряды молний в бурной атмосфере молодой планеты.
Анализ смеси показал, что эксперимент привёл к образованию 22 аминокислот .
Открытие же показало возможность для биомолекул самопроизвольно синтезироваться при определенных условиях.
Однако, плотность электрических разрядов у них была очень велика по сравнению с реальной в древней атмосфере Земли.
Но тут следует учесть, что молнии были далеко не единственными производителями органики на древней Земле.
На сегодняшний день известны еще по крайней мере две надежные, реально работающие «фабрики» абиогенной органики:
космос и гидротермальные источники.
Кроме того, согласно новым геологическим данным, полученным к 1990-м годам,
в атмосфере древней Земли было много углекислого газа, который не входил в состав газовой смеси в опытах Стенли Миллера.
В присутствии CO2 синтез аминокислот из неорганических газов поначалу идти не хотел.
Эту проблему удалось преодолеть в 2008 году Кливсу и его коллегам.
Они обнаружили, что молнии все-таки могут стимулировать синтез аминокислот в газовой смеси, содержащей CO2,
если туда добавить некоторые дополнительные вещества, которые вполне могли присутствовать в первичной атмосфере.
Следует также упомянуть эксперимент Дж.Оро и С.Камата, которые синтезировали
простые аминокислоты и N-основания в водных растворах NH3 и HCN
под действием электрических разрядов.
Однако состав архейских морей, видимо, существенно отличался от их растворов.
В 1968 году Карл Везе предложил гипотезу РНК-мира.
Согласно ей, первыми «жителями» нашей планеты были ансамбли молекул рибонуклеиновых кислот (РНК).
Они хранили генетическую информацию, они катализировали химические реакции.
Позже именно они дали начало молекулам ДНК и белка.
Сторонники гипотезы показали, что водный раствор HCN — отправная точка для образования предшественников РНК и белков.
Энергию для первого синтеза могли дать фотоны высоких энергий.
Однако, недавно была выдвинута гипотеза о том, что более простые генетические структуры могут предшествовать образованию ДНК и РНК,
и предполагают, что подобные пребиотические реакции могут происходить в других частях Солнечной системы.
Жизнь в теории абиогенеза
В данной концепции наиболее важными считаются генетические и эволюционные критерии, определяющие жизнь. Все остальные критерии — термодинамический и экологический — признаются второстепенными. Положения абиогенеза следующие:
- Живое и неживое различаются по химическому составу и его особенностям (обмену веществ). Все теории данного направления называют биохимическим абиогенезом.
- Происхождение жизни произошло именно на Земле, естественным путем и с затратами свободной энергии. Это результат появления сложных органических веществ из простых неорганических с появлением новых химических реакций между ними. Все теории происхождения жизни данного направления называются геоцентрическими.
- Главные свойства и признаки живого — это обмен веществ, самовоспроизведение себе подобных, наследственность и изменчивость.
Таким образом, абиогенез — это геоцентрические и химические теории, объясняющие происхождение живого.
Эксперименты по абиогенному синтезу органических веществ
В 1828 году известным немецким химиком Ф. Велером было синтезировано из неорганического вещества — циановокислого аммония органическое вещество – мочевина.
Позже, в 1953 году американским исследователем Стенли Миллером была воспроизведена первичная атмосфера Земли, состоявшая, согласно предположениям ученых, из аммиака, метана и паров воды. Через эту газовую смесь, содержащуюся в стеклянной колбе, в которую были впаяны электроды, Миллер на протяжении недели пропускал электрические разряды, которые имитировали грозовые. В результате эксперимента в колбе были обнаружены α-аминокислоты (глицин, аланин, аспарагин, глутамин), мочевина, у-оксимасляная кислота и органические кислоты – гликоловая, молочная, янтарная, уксусная. Повторение этого эксперимента в результате дало получение отдельных нуклеотидов и коротких полинуклеотидных цепочек, состоящих из пяти-шести звеньев.
Позже Дж. Оро получил аденин путем умеренного нагревания смеси, состоявшей из азота, аммиака, углерода и воды. В процессе взаимодействия аммиачного раствора мочевины и соединений, образующихся из газов под воздействием электрических разрядов, был получен урацил.
В 1980-е годы при проведении похожих экспериментов Л. Орджелу удалось синтезировать нуклеотидные цепи, длина которых составляла шесть мономерных единиц.
Затем С. Акабюри сумел получить полимеры простейших белков.
Процесс абиогенного синтеза органических молекул может осуществляться на Земле и в настоящее время, например, в результате вулканической деятельности. этим объясняется то, что при вулканических выбросах обнаруживается не только синильная кислота, которая является предшественником нуклеотидов и аминокислот, но и отдельные нуклеотиды, аминокислоты и даже порфирины, которые имеют сложное строение.
Замечание 1
Абиогенный синтез органических веществ может происходить не только на Земле, но и в условиях космического пространства. Например, простейшие аминокислоты были обнаружены в составе комет и метеоритов.
Эксперименты по абиогенному синтезу органических веществ
В 1953 году аспирант Нобелевского лауреата Г.Юри Стэнли Миллер занялся экспериментом по абиогенезу. Его идея состояла в следующем: полуподвальное помещение лаборатории было «превращено в древнейшую землю». Под руководством Г.Юри аспирант сконструировал простой прибор, состоящий из колбы сферической формы и многочисленных трубочек. В них циркулировали образующиеся вещества, постепенно охлаждаясь и поступая в колбу.
Таким образом, в колбе присутствовали газы (водяной пар, водород, аммиак, метан), которые образовывали атмосферу Земли на этапе ее формирования. Как считали А.И. Опарин, Г. Юри и С.Миллер, именно так протекали процессы в древнейшие времена под действием солнечного излучения. Чтобы дать реакциям энергию, Миллер использовал колбу, нагреваемую на бунзеновской горелке. В дополнение в энергетической составляющей использовался прибор, состоящий из стеклянной трубки и двух электродов (подобие вспышек молний и электрического разряда).
Цикл был замкнутым, и после каждого из них материал охлаждался, возвращался в колбу, после чего повторялся вновь.
В результате этих экспериментов Миллер и Юри продемонстрировали, что за несколько миллионов лет под действием электрических разрядов из молний в атмосфере Земли могли синтезироваться молекулы органических веществ. Впоследствии, когда они с дождем попали в «первичный бульон», из них могло начаться образование первых живых микроорганизмов и их клеток.
Работали над экспериментальным подтверждением основы биохимической теории и другие ученые. Например, Д.Оро нагревал цианистый водород с водой и аммиаком, посредством чего получал аденин. Воздействовав на метан, аммиак и воду особыми излучениями, получал рибозу и дезоксирибозу.
С.Фокс успешно синтезировал белковообразные вещества — протеиноиды. Он нагревал смесь аминокислот, в результате чего получал полимеры нуклеотидов.
Синтезом веществ, аналогичных коацерватам, занимался сам А.И. Опарин и его ученики.
Опровержение биохимической эволюции
Одно из современных опровержений сводится к сомнению в присутствии аммиака в древней атмосфере вокруг Земли. Кроме того, для многих ученых так и остался неуточненным вопрос: в ходе таких процессов появились раньше белки или нуклеиновые кислоты? Опарин считал, что первыми были белки. Сторонники гипотезы генетических механизмов утверждали, что это были нуклеиновые кислоты. Тем более согласно результатам лабораторных исследований Г. Миллера в 1929 году репликация этих веществ могла происходить без участия ферментов. Группа такой оппозиции утверждала, что рибосомы, состоящие из одной РНК, могли впоследствии «научиться» синтезировать белок.
Жизнеспособность такого пути эволюции впоследствии была подтверждена экспериментально. В пользу генетической теории свидетельствовал тот факт, что РНК без участия ферментов могла реплицироваться, претерпевать обратную транскрипцию и синтезировать ДНК.
Одновременно с этим высказывается предположение, что первая клетка образовалась в результате определенных химических процессов глубоко в океане. Следовательно, сегодня единого мнения ученых не существует.
Происхождение жизни на Земле рассматривается отдельными авторами в результате не только абиогенеза, но и биогенеза. Он состоит в том, что жизнь на Земле, как и сама Земля, никогда не возникали. Они существуют вечно. Другими словами, живое произошло от живого. Одни живые существа сменяют другие, вымирают либо, напротив, размножаются, но постоянно присутствуют на земле. Цепочка жизни бесконечна, потому в поисках появления первой клетки нет смысла.
Начало биологической эволюции
Химическая эволюция и эволюция протобионтов длилась более 1 млрд. лет. Жизнь возникла, и началась ее биологическая эволюция.
От некоторых протобионтов произошли примитивные клетки, включающие всю совокупность наблюдаемых нами сегодня свойств живого. В них было реализовано хранение и передача наследственной информации, ее использование для создания структур и обмена веществ. Энергия для процессов жизнедеятельности обеспечивалась молекулами АТФ, появились типичные для клеток мембраны.
Первые организмы были анаэробные гетеротрофы. Энергию, запасаемую в АТФ, они получали с помощью брожения. Пример — гликолиз — бескислородное расщепление сахаров. Питались эти организмы за счет органических веществ первичного бульона.
Но запасы органических молекул постепенно истощались, так как условия на Земле менялись, и новая органика уже почти не синтезировалась абиогенным путем. В условиях конкуренции за пищевые ресурсы эволюция гетеротрофов ускорилась.
Преимущество получили бактерии, оказавшиеся способными фиксировать углекислый газ с образованием органических веществ. Автотрофный синтез питательных веществ более сложный, чем гетеротрофное питание, поэтому у ранних форм жизни он возникнуть не мог. Из некоторых веществ под действием энергии солнечного излучения образовывались соединения, необходимых клетке.
Первые фотосинтезирующие организмы не выделяли кислорода. Фотосинтез с его выделением скорее всего появился позже у организмов, сходных с нынешними сине-зелеными водорослями.
Накопление в атмосфере кислорода, появление озонового экрана, уменьшение количества ультрафиолетового излучения привело к почти невозможности абиогенного синтеза сложных органических веществ. С другой стороны, возникшие формы жизни стали более устойчивыми в таких условиях.
На Земле распространилось кислородное дыхание. Анаэробные организмы сохранились лишь в отдельных местах (например, есть анаэробные бактерии, живущие в горячих подземных источниках).
Этап полимеризации органических мономеров
Значительная часть образующихся мономеров разрушалась под действием высоких температур и многочисленных химических реакций, происходивших в «первичном бульоне». Летучие соединения переходили в атмосферу и практически исчезали из водоемов. Периодическое подсыхание водоемов приводило к многократному увеличению концентрации растворенных органических соединений. На фоне высокой химической активности среды происходили процессы усложнения этих соединений, и они могли вступать в соединения друг с другом (реакции конденсации, полимеризации и т. п.). Жирные кислоты, соединяясь со спиртами, могли образовывать липиды и формировать жировые пленки на поверхности водоемов. Аминокислоты могли соединяться друг с другом, образуя все более сложные пептиды. Могли образовываться и другие типы соединений — нуклеиновые кислоты, полисахариды и др. Первыми нуклеиновыми кислотами, как полагают современные биохимики, были небольшие цепи РНК, так как они, как и олигопептиды, могли синтезироваться в среде с высоким содержанием минеральных компонентов спонтанно, без участия ферментов. Реакции полимеризации могли заметно активироваться при значительном увеличении концентрации раствора (пересыхание водоема) и даже во влажном песке или при полном высыхании водоемов (возможность протекания таких реакций в сухом состоянии была показана американским биохимиком С. Фоксом). Последующие дожди растворяли молекулы, синтезированные на суше, и перемещали их с токами воды в водоемы. Такие процессы могли носить циклический характер, приводя к еще большему усложнению органических полимеров.
Невероятное вероятно
Но, как известно, все относительно. На нашей планете и в нашем мире — это Вот несколько примеров, которые заставят задуматься — так ли уж невозможна такая случайность, как возникновение жизни в первичном бульоне.
- Если бы продолжительность жизни человека была 100 000 лет, то мы гарантированно (то есть в 100%) погибали бы в авиакатастрофах.
- Вероятность выиграть в лотерею Cool Million составляет 1 к 5 200 000. И тем не менее американка Валери Вильсон выиграла главный приз дважды: в 2002 и в 2006 годах.
- В 2009 году в болгарской лотерее «6 из 41» в двух тиражах с разницей в 4 дня выпали одинаковые цифры (4 15 23 24 35 42). Вероятность такого события составляет 3,61 . 10 −14 .
Наибольшее признание и распространение в XX столетии получила гипотеза происхождения жизни на Земле, предложенная известным отечественным биохимиком академиком А. И. Опариным (1894-1980) и английским биохимиком Дж. Холдёйном (1892-1964). Суть их гипотезы, сформулированной ими независимо друг от друга в 1924-1928 гг. и развиваемой в последующее время, сводится к существованию на Земле продолжительного периода абиогенного образования большого числа органических соединений. Данные органические вещества насыщали древнейших океанов, сформировав (по представлениям Дж. Холдейна) так называемый «первичный бульон». Впоследствии в силу многочисленных процессов локальных обмелений и иссушений океанов концентрация «первичного бульона» могла возрастать в десятки и сотни раз. Эти процессы происходили на фоне интенсивной вулканической активности, частых грозовых разрядов в атмосфере и мощного космического излучения. В этих условиях могло происходить постепенное усложнение молекул органических веществ, появление простых белков, полисахаридов, липидов, нуклеиновых кислот. На протяжении многих сотен и тысяч лет они могли образовать сгустки органических веществ (коацерваты). В условиях восстановительной коацерваты не разрушались, происходило их постепенное усложнение, и в определенный момент развития из них могли образоваться первые примитивные организмы (пробионты). Эта гипотеза была принята и развита в дальнейшем многими учеными разных стран, ив 1947 г. английский ученый Джон Бернал сформулировал гипотезу биопоэза. Он выделил три основные стадии формирования жизни: 1) абиогенное возникновение органических мономеров; 2) формирование биологических полимеров; 3) развитие мембранных структур и первых организмов.
Рассмотрим кратко процессы и стадии биопоэза.
Первым этапом биопоэза стал ряд процессов, получивших название химической эволюции, приведшей к появлению пробионтов — первых живых существ. Продолжительность его разными учеными оценивается от 100 до 1000 млн. лет. Это предыстория жизни на нашей планете.
Образование первичного бульона
Когда температура атмосферы древней Земли опускается ниже 100°С, образуется первичный океан, начинается процесс синтеза простых органических молекул, а далее и сложных биополимеров.
В первичном океане появляются коацерватные капли, которые стали прообразами живых организмов и сформировали первичный органический бульон. Коацерватные капли обладают своеобразным подобием обмена веществ:
- способны избирательно впитывать из раствора некоторые вещества и выделять продукты их распада в окружающую среду и расти
- начинают размножаться при достижении определенного размера: от большой капли отделяются маленькие капельки, которые также могут расти и размножаться
- в результате смешивания под воздействием ветра и волн коацерватные капли могут покрываться оболочкой из липидов. Оболочка может быть одинарной, схожей с мицеллами мыла – при однократном отрыве капли от поверхности, либо двойной, которая напоминает клеточную мембрану. Двойная оболочка формируется при повторном падении капли, уже покрытой одним слоем липидной мембраны.
Описанные процессы формирования коацерватных капель, их роста и размножения, а также покрытия двойной липидной мембраной пленкой моделируются в условиях лаборатории. Соответственно, процессы абиогенного синтеза органических молекул можно воспроизвести в модельных экспериментах, что и было сделано учеными.