Жизнь и её происхождение
Под понятием «жизнь» большинство ученых сейчас подразумевают процесс существования сложных систем, состоящих из больших органических молекул и способных самовоспроизводиться и поддерживать свое существование в результате обмена энергией и веществом с окружающей средой. По современным представлениям возраст Земли, как и всей Солнечной системы, около 4,6 млрд. лет, поэтому вряд ли жизнь старше этого срока. Существует и давняя гипотеза о том, что жизнь имеет неземное происхождение и занесена на Землю извне, из космоса, однако доказательств этого нет. Кроме того, та жизнь, которую мы знаем, удивительно приспособлена для существования в земных условиях, и если она возникла вне Земли, то на планете земного типа. Поэтому обычно при изучении происхождения жизни исходят из тех условий, которые существовали на только что сформировавшейся Земле.
Еще Ч. Дарвин понял, что жизнь может возникнуть только... при отсутствии жизни. Вездесущие микроорганизмы, распространенные сейчас на Земле, использовали бы, «съедали» вновь возникающие органические вещества. Поэтому возникновение жизни в привычных нам земных условиях невозможно.
Второе условие, при котором жизнь может возникнуть, — отсутствие свободного кислорода в атмосфере. Это важное открытие сделали советский ученый А. И. Опарин (1924) и английский ученый Дж. Б. С. Холдейн (1929). Первичная атмосфера Земли имела, как предполагают, восстановительный характер и состояла из паров воды, углекислого газа, водорода, азота и аммиака, возможно, с добавкой синильной кислоты, которую обнаружили астрономы в хвостах комет. Поэтому возникающие на поверхности Земли органические вещества могли накапливаться, не окисляясь. И сейчас на нашей планете они накапливаются только в бескислородных условиях, так возникают торф, каменный уголь и нефть.
Американский биолог Ж. Лёб 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 Лёба прошло незамеченным, поэтому первый абиогенный синтез органических веществ (т. е. идущий без участия живых организмов) из случайной смеси газов приписывают американским ученым С. Миллеру и Г. Юри. В 1953 г. они получили в стеклянной колбе под действием электрического разряда, имитирующего молнию, из водорода, воды, метана и аммиака сложную смесь из многих десятков органических веществ. Среди них преобладали органические (карбоновые) кислоты — муравьиная, уксусная и яблочная, их альдегиды, а также аминокислоты. Опыты Миллера и 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.
По данным, полученным в последнее время советскими учеными, простейшие органические вещества могут возникать и в космическом пространстве при температуре, близкой к абсолютному нулю. В принципе Земля могла бы получить абиогенные органические вещества и как «приданое» при возникновении.
В результате водоемы на Земле, и прежде всего океан, превратились в «первичный бульон» — сложный раствор органических веществ, которым в принципе могли бы питаться анаэробные бактерии. Кроме аминокислот в нем были и предшественники нуклеиновых кислот — пуриновые и пиримидиновые основания, сахара, фосфаты и многое другое.
Однако низкомолекулярные органические вещества еще не жизнь. Основу жизни представляют биополимеры — длинные молекулы белков и нуклеиновых кислот, слагающиеся из звеньев — аминокислот и нуклеотидов. Реакция полимеризации первичных звеньев в водном растворе не идет, так как при соединении друг с другом двух аминокислот или двух нуклеотидов отщепляется молекула воды. Реакция в воде пойдет в обратную сторону. Скорость расщепления (гидролиза) биополимеров будет больше, чем скорость их синтеза. В цитоплазме наших клеток синтез биополимеров — сложный процесс, идущий с затратой энергии АТФ. Чтобы он шел, нужны ДНК, РНК и белки, которые сами являются результатом этого процесса. Ясно, что биополимеры не могли возникнуть сами в «первичном бульоне».
Возможно, первичный синтез биополимеров шел при замораживании «первичного бульона» или же при нагревании сухого его остатка. Американский исследователь С. У. Фокс, нагревая до 130° сухую смесь аминокислот, показал, что в этом случае реакция полимеризации идет (выделяющаяся вода испаряется) и получаются искусственные протеинои-ды, похожие на белки, имеющие до 200 и более аминокислот в цепи. Растворенные в воде, они обладали свойствами белков, представляли питательную среду для бактерий и даже катализировали (ускоряли) некоторые химические реакции, как настоящие ферменты. Возможно, они возникали в предбиологическую эпоху на раскаленных склонах вулканов, а затем дожди смывали их в «первичный бульон». Есть и такая точка зрения, что синтез биополимеров шел непосредственно в первичной атмосфере и образующиеся соединения выпадали в «первичный бульон» в виде частиц пыли.
Следующий предполагаемый этап возникновения жизни —протоклетки. А. И. Опарин показал, что в стоящих растворах органических веществ образуются коацерваты — микроскопические «капельки», ограниченные полупроницаемой оболочкой — первичной мембраной. В коацерватах могут концентрироваться органические вещества, в них быстрее идут реакции, обмен веществ с окружающей средой, и они даже могут делиться, как бактерии. Подобный процесс наблюдал при растворении искусственных протеиноидов Фокс, он назвал эти шарики микросферами.
В протоклетках вроде коацерватов или микросфер шли реакции полимеризации нуклеотидов, пока из них не сформировался прото-ген — первичный ген, способный катализировать возникновение определенной аминокислотной последовательности — первого белка. Вероятно, первым таким белком был. предшественник фермента, катализирующего синтез ДНК или РНК — ДНК- или РНК-полимер аз а. Те протоклетки, в которых возник примитивный механизм наследственности и белкового синтеза, быстрее делились и «перекачали» в себя все органические вещества «первичного бульона». На этой стадии шел уже естественный отбор на скорость размножения; любое усовершенствование биосинтеза подхватывалось, и новые протоклетки вытесняли все предыдущие.
До сих пор остается загадочным явление асимметрии органических молекул. Дело в том, что асимметрические молекулы аминокислот, Сахаров и других веществ могут существовать в двух формах, выглядящих как зеркальные отражения друг друга. Их назвали правыми и левыми. При абиогенном синтезе они возникают в равном количестве. Но аминокислоты, слагающие белки всех земных организмов, всегда левые, а сахара (рибоза и дезоксири-боза) нуклеиновых кислот всегда правые. Причина этого явления неясна. Вероятно, асимметрия ускоряла процесс синтеза белков, нуклеиновых кислот и рост протоклеток. Это удалось воспроизвести в модельных опытах на ЭВМ: «протоклетки» из правых или левых элементов «росли» быстрее и вытесняли симметричные. То, что аминокислоты у нас левые, а сахара правые, можно объяснить случайностью.
Последние этапы возникновения жизни — происхождение рибосом и транспортных РНК, генетического кода и энергетического механизма клетки с использованием АТФ — еще не удалось воспроизвести в лаборатории. Все эти структуры и процессы имеются уже у самых примитивных микроорганизмов, и принцип их строения и функционирования не менялся за всю историю Земли. Поэтому заключительную сцену грандиозного спектакля происхождения жизни мы можем пока реконструировать только предположительно — до тех пор, пока ее не удастся воссоздать в эксперименте. Быть может, такие протоклетки существуют до сих пор на какой-либо из планет в космосе, где жизнь начала развиваться позже или развивалась медленнее.
Пока можно лишь утверждать, что на возникновение жизни в земном варианте потребовалось относительно мало времени — менее 1 млрд. лет. Уже 3,8 млрд. лет назад существовали первые микроорганизмы, от которых произошло все многообразие форм земной жизни (см. Развитие жизни на Земле).
