Гипотеза возникновения жизни академика А. И. Опарина

Гипотезы — это леса, которые возво­дят перед зданием и сносят, когда зда­ние готово.

И. В. Гете

Пик исследований А. И. Опарина и его соавторов при­ходился на 50-60-е годы, хотя его книга «Происхожде­ние жизни» была опубликована еще в 1924 году.

Появление жизни он рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из проте­кавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень - биохимическую эво­люцию.

С самого начала этот процесс был связан с геоло­гической эволюцией. В настоящее время принято счи­тать, что возраст нашей планеты составляет примерно 4,3 млрд лет. В далеком прошлом Земля была очень горя­чей (4000-8000 °С). По мере остывания образовывалась земная кора, а из воды, аммиака, двуокиси углерода и метана - атмосфера. Такая атмосфера называется «вос­становительной», поскольку не содержит свободного кислорода. При падении температуры на поверхности Земли ниже 100 °С образовались первичные водоемы. Под действием электрических разрядов, тепловой энер­гии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси происходил синтез органических веществ-мономеров, кото­рые локально накапливались и соединялись друг с дру­гом, образуя полимеры. Можно допустить, что тогда же одновременно с полимеризацией шло образование над­молекулярных комплексов-мембран.

По однотипным правилам синтезировались в «первичном бульоне» гидросферы Земли полимеры всех типов: аминокис­лоты, полисахариды, жирные кислоты, нуклеиновые кислоты, смолы, эфирные масла и др. Это предположение было провере­но экспериментально в 1953 году на установке Стэнли Мил­лера, которому удалось получить многие вещества, имеющие

важное биологическое значение, в том числе ряд аминокис­лот, аденин и простые сахара. Позднее в сходном эксперимен­те были синтезированы нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты).

Органические вещества скапливались в сравнительно не­глубоких водоемах, прогреваемых Солнцем. Солнечное излу­чение доносило до поверхности Земли ультрафиолетовые лу­чи, которые в наше время сдерживаются озоновым слоем атмо­сферы. Так энергией обеспечивалось протекание химических реакций между органическими соединениями и синтез поли­меров.

Первичные клетки предположительно возник­ли при помощи молекул жиров (липидов).

Молекулы воды, смачивая только гидрофильные кон­цы молекул жиров, ставили их как бы «на голову», гид­рофобными концами вверх. Таким способом создавал­ся комплекс упорядоченных молекул жиров, которые за счет прибавления к ним новых молекул постепенно от­граничивали от всей окружающей среды некоторое про­странство, которое и стало первичной клеткой, или коацерватом - пространственно обособившейся цело­стной системой. Коацерваты оказались способными поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечивало возможность первичного обмена веществ со средой.

Таким образом, первичная клеточная структура, по Опарину, представляла собой открытую химическую микроструктуру которая была наделена способностью к первичному обмену веществ, но еще не имела системы для передачи генетической информации на основе нук­леиновых кислот. Такие системы, черпающие из окружа­ющей среды вещества и энергию, могут противостоять нарастанию энтропии и способствовать ее уменьшению в процессе своего роста и развития, что является харак­терным признаком всех живых систем.

Естественный отбор сохранял те системы, в ко­торых были более совершенными функция обме­на веществ и приспособленность организма в це­лом к существованию в данных условиях внешней среды.

В ходе естественного отбора выжили системы, имевшие особое строение белковых полимеров, что обусловило появление третьего качества живо­го - наследственности (специфичной формы пе­редачи информации).

Концепция А. И. Опарина в научном мире весьма попу­лярна. Сильной ее стороной является точное соответствие тео­рии химической эволюции, согласно которой зарождение жиз­ни - закономерный результат. Аргументом в пользу этой кон­цепции служит возможность экспериментальной проверки ее основных положений в лабораторных условиях.

Слабой стороной концепции А. И. Опарина является до­пущение возможности самовоспроизведения коацерватных структур в отсутствие систем, обеспечивающих генетическое кодирование. В рамках концепции Опарина не решена глав­ная проблема - о движущих силах саморазвития химических систем и перехода от химической эволюции к биологической, о причине таинственного скачка от неживой материи к живой.

СПОРНЫЕ ВОПРОСЫ КОНЦЕПЦИЙ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ

Мы должны действовать таким обра­зом, чтобы не идти наперекор всеобщим законам природы, но соблюдая их, сле­довать, вместе с тем, своим склонно­стям.

Цицерон, древнеримский политик

Одним из наиболее сложных вопросов, связанных с происхождением жизни, является характеристика осо­бенностей доклеточного предка.

Хорошо известен факт, что для саморепродук­ции нуклеиновых кислот (основы генетического кода) необходимы ферментные белки, а для синте­за белков - нуклеиновые кислоты. Отсюда следу­ют два вопроса:

1) что было первичным - белки или нуклеиновые кислоты?

2) если предположить, что эти классы полимеров воз­никли не одновременно, то как и когда произошло их объединение в единую систему передачи генетической информации?

Белки в организме служат катализаторами проте­кающих биохимических реакций и являются клеточны­ми структурными элементами. Они представляют собой цепочки аминокислот, удерживающихся пептидными связями. Из огромного арсенала аминокислот для обра­зования животных и растительных белков природа ис­пользовала 20 типов. Разнообразие белков определяется различными аминокислотами и последовательностью их расположения в белковых цепях. Даже при полной идентичности состава и последовательности располо­жения аминокислот различия в пространственной структуре белков приводят к разнице в их физико-хи­мических свойствах. Белки живого происхождения имеют одинаковую изомерию, тогда как абиогенно по­лученные белки содержат равное количество возмож­ных пространственных структур.

Нужный в данный момент белок синтезируется клет­кой из запасенного материала с помощью системы вос­произведения, которая содержит в закодированном ви­де необходимую информацию. Свои функции система воспроизведения осуществляет при помощи полимер­ных соединений дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и рибонуклеиновой кислоты (РНК). ДНК явля­ется хранительницей генетической информации, зало­женной в последовательность оснований, расположен­ных вдоль ее цепи. РНК способна считывать хранимую в ДНК информацию, переносить ее в среду с исходны­ми для синтеза белка материалами и строить из них нуж­ные белковые молекулы.

Существует одно важное и пока не нашедшее объяс­нения различие в свойствах живого и неживого веществ.

В неживом веществе того же химического со­става, что и живое, не происходит поворот пло­скости поляризации проходящего через него света. А все белковые молекулы живых организмов по­ворачивают плоскость поляризации проходяще­го света влево, что указывает на их левую прост­ранственную конфигурацию (L-конфигурация). Молекулы ДНК и РНК поворачивают луч света вправо, то есть обладают правой или Р-конфигурацией. Молекулярная стереоизомерия, или моле­кулярная хиральность, присуща только живой при­роде и является ее неотъемлемым свойством.

По отношению к первичности образования бел­ков или нуклеиновых кислот все существующие теории зарождения жизни делятся на две большие группы — голобиоза и генобиоза.

Концепция А. И. Опарина относится к группе голобиоза, поскольку исходит из идеи первичности структур типа клеточ­ной, наделенной способностью к элементарному обмену ве­ществ при участии ферментного механизма. Нуклеиновые кис­лоты при таком механизме появляются на завершающем этапе.

Примером иной точки зрения служит концепция Дж. Холдейна, согласно которой первичной была не структура, спо­собная к обмену веществ с окружающей средой, а макромолекулярная система, подобная гену и способная к саморепро­дукции, и потому названная им «голым геном». Подобную группу концепций называют генобиозом или информацион­ной гипотезой.

Позиции гипотезы генобиоза заметно укрепились к 1970-м годам, а в 1980-е годы в представлениях о доклеточном пред­ке она стала доминирующей. Общее признание в рамках этой гипотезы получила идея, согласно которой хирально чистыми молекулярными «блоками», составившими основу для зарож­дения живого, были макромолекулы ДНК или РНК.