Первичная биохимическая эволюция

Среди астрономов, геологов и биологов принято считать, что возраст Земли составляет примерно 4,5-5 миллиардов лет.

По мнению многих биологов, в далеком прошлом состояние нашей планеты было мало похоже на нынешнее: по всей веро­ятности, температура ее поверхности была очень высокой (4000-8000⁰ С), и по мере того, как Земля остывала, более туго­плавкие вещества конденсировались и образовывали земную кору. Поверхность планеты была, вероятно, голой и неровной, так как на ней в результате вулканической активности, непре­рывных подвижек коры и сжатия, вызванного охлаждением, про­исходило образование складок и разрывов.

Полагают, что в те времена атмосфера была совершенно не такая, как теперь. Легкие газы - водород, гелий, азот, кислород и аргон - уходили из атмосферы, так как гравитационное поле нашей еще недостаточно плотной планеты не могло их удер­жать. Однако простые соединения, содержащие (среди прочих) эти элементы, должны были удерживаться; к ним относятся во­да, аммиак, двуокись углерода и метан. До тех пор пока темпе­ратура Земли не упала ниже 1 00⁰ С, вся вода, вероятно, находи­лась в парообразном состоянии. Атмосфера была, по-видимому, «восстановительной», о чем свидетельствует наличие в самых древних горных породах Земли металлов в восстановленной форме, таких, как двухвалентное железо. Более молодые горные породы содержат металлы в окисленной форме, например, трехвалентное железо. Отсутствие в атмосфере кислорода бы­ло, вероятно, необходимым условием для возникновения жизни; лабораторные опыты показывают, что, как это ни парадоксально, органические вещества (основа живых организмов) гораздо лег­че создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере, богатой кислородом.

В 1923 г. А.И. Опарин высказал мнение, что атмосфера пер­вичной Земли была не такой, как сейчас, а примерно соответст­вовала сделанному выше описанию. Исходя из теоретических представлений, он полагал, что органические вещества, возмож­но, углеводороды, могли создаваться в океане из более простых соединений; энергию для этих реакций синтеза, вероятно, дос­тавляла интенсивная солнечная радиация (главным образом ультрафиолетовая), падавшая на Землю до того, как образовал­ся слой озона, который стал задерживать большую ее часть. По мнению Опарина, разнообразие находившихся в океанах про­стых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и обра­зовался тот «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь. Эта идея была не нова: в 1871 г. сходную мысль высказал Ч. Дарвин: «Часто говорят, что все необходимые для создания живого организма условия, которые могли когда-то существо­вать, имеются и в настоящее время. Но если (ох, какое это большое «если») представить себе, что в каком-то небольшом теплом пруду, содержащем всевозможные аммонийные и фос­форные соли, при наличии света, тепла, электричества образо­вался бы химическим путем белок, готовый претерпеть еще бо­лее сложные превращения, то в наши дни такой материал не­прерывно пожирался бы или поглощался, чего не могло случить­ся до того, как появились живые существа».

В 1 953 г. Стенли Миллер в ряде экспериментов моделиро­вал условия, предположительно существовавшие на первобыт­ной Земле. В созданной им установке, снабженной источником энергии, ему удалось синтезировать многие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряда аминокислот, аденин и простые сахара, такие как рибоза. После этого Орджел в Институте Солка в сходном эксперименте синтезировал нук-леотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты ).

Позднее возникло предположение, что в первичной атмо­сфере в относительно высокой концентрации содержалась дву­окись углерода. Недавние эксперименты, проведенные с исполь­зованием установки Миллера, в которую, однако, поместили смесь СО2 и Н2О и только следовые количества других газов, дали такие же результаты, какие получил Миллер. Теория Опа­рина завоевала широкое признание, но она оставляет нерешенными проблемы, связанные с переходом от сложных органиче­ских веществ к простым живым организмам. В этом аспекте тео­рия биохимической эволюции предлагает общую схему, прием­лемую для большинства современных биологов. Однако они не пришли к единому мнению о деталях этого процесса.

Опарин полагал, что решающая роль в превращении нежи­вого в живое принадлежала белкам. Благодаря амфотерности белковых молекул, они способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов - притягивают к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособ­ляться от всей массы воды, в которой они суспензированы (вод­ной фазы), и образовывать своего рода эмульсию. Слияние та­ких комплексов друг с другом приводит к отделению коллоидов от водной среды - процессу, называемому коацервацией (от лат. coacervus - сгусток или куча). Богатые коллоидами коацерваты, возможно, были способны обмениваться с окружающей средой веществами и избирательно накапливать различные соедине­ния, особенно кристаллоиды. Коллоидный состав данного коа-цервата, очевидно, зависел от состава среды. Разнообразие состава «бульона» в разных местах вело к различиям в химиче­ском составе коацерватов и поставляло таким образом сырье для «биохимического естественного отбора».

Предполагается, что в самих коацерватах входящие в их со­став вещества вступали в дальнейшие химические реакции; при этом происходило поглощение коацерватами ионов металлов и образование ферментов. На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов (сложные углеводороды), что приводило к образованию примитивной кле­точной мембраны, обеспечивавшей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват предсуществующей моле­кулы, способной к самовоспроизведению, и внутренней пере­стройки покрытого липидной оболочкой коацервата могла воз­никнуть примитивная клетка. Увеличение размеров коацерватов и их фрагментация, возможно, приводило к образованию иден­тичных коацерватов, которые могли поглощать больше компо­нентов среды, так что этот процесс мог продолжаться. Такая предположительная последовательность событий должна была привести к возникновению примитивного самовоспроизводяще­гося гетеротрофного организма, питавшегося органическими веществами первичного бульона.