Современные представления о происхождении жизни: проблемы и решения

Новые идеи надо поддерживать. Немногие имеют такую смелость.

К. Э. Циолковский

К концу 1980-х годов было доказано, что пер­вичной была молекула РНК, а не ДНК.

Оказалось, что РНК наделена такой же генетической памятью, как и ДНК, и вопреки устоявшейся генетической догме возможен перенос генетической инфор­мации от РНК к ДНК при участии фермента, открыто­го в начале 1970-х годов. Была установлена способность РНК к саморепродукции в отсутствии белковых фер­ментов, то есть автокаталитическая функция.

Древняя РНК совмещала в себе черты генотипа и фенотипа, то есть была подвержена как гене­тическим преобразованиям, так и естественному отбору. А процесс эволюции шел от РНК к белку, затем к образованию молекулы ДНК, у которой С-Н связи более прочны, чем С-ОН связи РНК. Возникновение хиральности, а также первичных молекул РНК не могло произойти в ходе плавно­го эволюционного развития. Вероятно, имел ме­сто скачок со всеми характерными чертами само­организации вещества. Ведь полимеры на пути к живой клетке не могли идти путем простого пе­ребора вариантов, для такого перебора требуется время, превышающее время существования Все­ленной.

Гипотеза о механизме зарождения макромолекул, необхо­димых для строительства белка, высказана Эйгеном в работе «Самоорганизация материи в ходе химической эволюции» (1971). Эйген распространил на процессы, которые должны были происходить при эволюционном скачке, принцип дарви­новского отбора и ввел понятие конкуренции гиперциклов, или циклов химических реакций, которые приводят к образо­ванию белковых молекул. Циклы, работающие быстрее и эф­фективнее остальных, выживают и побеждают в конкурент­ной борьбе. Пищей служат молекулы мономеров, которые поглощаются при полимеризации или в ходе циклов реакций. В «первичном бульоне» присутствуют и катализаторы хими­ческих реакций, которые образуются в них как промежуточ­ные продукты, то есть возникает автокаталитическая самоор­ганизующаяся система.

Современная схема возникновения жизни на Земле выглядит следующим образом.

После того как образовался «первичный бульон» из углеродных соединений, появилась возможность образования биополимеров - нуклеиновых кислот и белков, обладающих свойствами самовоспроизводства. В результате осаждения органических соединений на минеральных телах, например на глине дна водоемов, возникла концентрация, необходимая для образования полимеров. Вода в начальный период формирования нашей планеты непрерывно перемещала растворенные в ней вещества из мест образования в места накопле­ния, где формировались протобионты (системы органи­ческих веществ, способные расти и развиваться за счет поглощения из окружающей среды богатых энергией веществ).

Далее образовались микросферы, или коацерваты (сгустки органических веществ), между которыми вы­страивались молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабиль­ность. Включение в коацерват молекулы, способной к самовоспроизведению, приводило к возникновению примитивной клетки, которая могла расти. Мембраны располагались на поверхности клетки, а также много­кратно прошивали ее насквозь в разных направлениях, образуя внутреннюю сеть мембран. На мембранах кон­центрировались абиогенно синтезированные фермен­ты, что упорядочило обмен веществ в клетках. Он начал зависеть от свойств и порядка расположения ферментов на мембранах. У нуклеиновых кислот, которые синте­зировались абиогенно, еще не было однозначно задан­ных матриц, в соответствии с которыми каждая новая молекула нуклеиновых кислот копирует последовательность азотистых оснований молекулы-матрицы.

Отсутствие матричного принципа при образо­вании геномов первичных клеток давало возмож­ность каждой формировавшейся клетке иметь свой уникальный геном.

Строение молекул ДНК те первые клетки через ряд последующих поколений передали клеткам современ­ных организмов. Таким образом, современные клетки происходят из большого количества абиогенно сформировавшихся прототипов.

Около 1 млрд лет назад содержание кислорода в воздухе Земли достигло 3 % от современного уровня, он начал окислять абиогенно образующие­ся вещества, что прекратило абиогенный синтез и прервало образование новых комбинаций азоти­стых оснований в ДНК клеток. После этого изме­нения в ДНК клеток происходили только путем мутаций.

Древнейшая жизнь, вероятно, существовала в каче­стве гетеротрофных бактерий, получавших пищу и энер­гию от органического материала абиогенного происхож­дения, образовавшегося на еще более ранней стадии эво­люции Земли. Исходя из этого, можно представить, что начало жизни на нашей планете отодвигается более чем на 4 млрд лет назад, то есть жизнь на Земле существует примерно столько же времени, сколько существует сама планета.