Возникновение жизни на Земле

С античных времен до средних веков многие философы и ученые считали, что живые организмы могут возникать из неживой материи. Но эта принципиально важная мысль не получала доказательств. Представления о происхождении лягушек и рыб из ила, а мух из гнилого мяса были опровергнуты в XVII веке итальянским врачом Франческо Реди, который в простых опытах показал, что мухи возникают не из мяса, а из яиц, отложенных в мясо другими мухами. В XIX веке выдающийся французский микробиолог Луи Пастер поставил точку в спорах о самозарождении жизни, доказав, что даже микробы, мель­чайшие свободноживущие клетки, не могут возникать из мертвой, прокипя­ченной питательной среды.

При этом Пастер убедил даже виталистов, которые считали, что для возникновения жизни нужна особая “жиз­нен­ная сила”. Он придумал знаменитую колбу с длинным S-образным горлышком, в которой после кипячения бульона, несмотря на то, что горлышко оставалось открытым и доступным для “жизненной силы”, микробы, тем не менее, не заводились. В 1862 г. Пастер по этому поводу выиграл специальную премию Французской академии наук, объявленную тому, кто разрешит проблему самозарождения жизни. Вос­торжествовал закон: все живое – от живого.

Но значило ли это, что жизнь не могла зародиться на Земле из нежи­вого субстрата в те далекие времена, когда еще не было никаких организмов, да и состав земной поверхности, вероятно, был другим, нежели в современную эпоху? Тогда откуда и как появились первые живые существа, хотя бы те же бактерии? Убедительного ответа на этот вопрос нет до сих пор, хотя имеются более или менее обоснованные гипотезы.

Так называемая “гипотеза” креационизма о сотворении жизни сверхъестественным, божественным началом не имеет никаких доказательств. Она основана на вере и является по существу не научной, а религиозной идеей, поэтому нами рассматриваться не будет. Обратимся к реальным гипотезам, имеющим хоть какую-то доказательную базу.

(1) Жизнь из космоса?

Существует гипотеза вечности жизни, которая в представле­ниях шведского физико-химика конца XIX века Аррениуса известна как гипотеза панспермии (от греч. pan – всеохватывающий и sperma – семя). Согласно этой гипотезе, жизнь всегда присутствует в космосе в виде мельчайших спор микроорганизмов, которые мигрируют между планетами, звездными системами или даже галактиками в составе комет, метеоритов и других космических тел, пересекающих большие пространства. Когда-то жизнь попала и на Землю, а потом развивалась, совершенствовалась. Идею панспермии всерьез рассматривали даже основатели молекулярной биологии (Ф. Крик и др.), полагая, что сложный аппарат биосинтеза белка и сам генетический код могли быть занесены на Землю бактериями из просторов Вселенной.

Выполнен ряд работ с метеоритными телами, в которых найдены органические вещества (аминокислоты, спирты, углеводороды), а также мельчайшие замурованные пузырьки, похожие на отпечатки клеток или спор. В некоторых метеоритах, упавших на Землю в 40–50-х годах XX века и недавно извлеченных, найдены даже бактерии. Кроме того, астрофизики на основании спектрального анализа удаленных космических тел утверждают, что и в космосе присутствуют органические вещества; особенно много их в кометах. Однако все эти наблюдения не являются доказательствами присутствия жизни в космосе. Органическое вещество, соединение на основе углерода, вполне может быть неживого происхождения, пузырьки в метеоритах, скорее всего, были заполнены газами, а встречаемые в старых метеоритах бактерии, очевидно, проросли за десятилетия из почвы. В космосе ни вирусы, ни бактерии пока что не обнаружены. К таким выводам приходит большинство ученых, занимающихся проблемой происхож­дения жизни.

Для полноты картины добавим, что существует еще гипотеза направленной панспермии, согласно которой жизнь в виде простейших организмов на Землю занесли пришельцы из сверхразумной цивилизации, опередившие нас по уровню развития. Эта идея подогревается наблюдениями различных НЛО, “сооружений” на Луне, спекуляциями по поводу “летающих тарелок” и захваченных, но утаиваемых от общественности инопланетян. Оставим эти домыслы журналистам и досужим обывателям, поскольку в научной среде факты посещения Земли или Луны какими-либо существами отсутствуют.

Даже если жизнь “вечна” и на Землю попала из космоса, остается вопрос о происхождении первых организмов, где бы и когда бы они не возникли. Поскольку современные космологические теории, в частности теория Большого Взрыва, выводят Вселенную из однородного материального хаоса, говорить о присутствии в космосе живых организмов до появ­ления Вселенной нет оснований. Поэтому обратимся к тем гипо­тезам, которые объясняют абиогенное возникновение жизни из первичных неорганических субстратов, причем не где-нибудь в косми­чес­ких далях, о которых мы мало что знаем, а у нас на Земле.

В современной науке сложились два подхода к объяснению этих механизмов и, соответственно, две модели абиогенного происхождения жизни: бульонно-коацерватная и твердоматричная.

(2) Бульонно-коацерватная гипотеза

Бульонно-коацерватная модель исходит из того, что сложные органические вещества возникли в растворах (в “бульоне”), из которых формировались коацерваты – прямые предшественники протоклеток.

В 20-е годы XX века гипотеза возникновения жизни на основе химической эволюции была четко сформулирована российским академиком А.И. Опариным (1924 г.) и, независимо от него, английским биологом Дж. Холдейном (1929 г.), а позднее получила некоторые экспериментальные подтверждения. Более позднее толкование этой гипотезы, с привлечением данных из разных наук – от астрофизики до молекулярной биологии, наиболее полно изложил видный английский ученый Джон Бернал (последняя редакция от 1967 года). Согласно этим представлениям, жизнь на Земле возник­ла из неорганических веществ в несколько этапов, причем химическая эво­люция перешла в биологическую.

Первоначально наша планета представляла раскаленное газопылевое облако. Около 4 млрд лет назад образовалась кора. Согласно гипотезе, появле­нию микроорганизмов предшествовала длительная химическая эволюция, в ходе которой из неорганических веществ сначала синтезировались простые органические вещества, а потом и биополимеры.

Различные газы и пары воды вырывались из остывающего центра молодого земного шара. Когда температура поверхности упала ниже 100^оС, начался период дождей, сформировался мировой океан, многочисленные моря и мелкие водоемы. В горячей воде хорошо растворялись атмосферные газы, а также газы, минеральные соли и другие вещества, приносимые горячими источниками и вулканами. Атмосфера и поверхность земли подверга­лись действию космического излучения, включавшего ультрафио­ле­то­вый свет от солнца, радиоактивные частицы, гамма-излучение. Были частые и сильные грозы, дававшие мощное электромагнитное излу­чение. В этих условиях из неорганических веществ в воде могли возникать простые органические соединения, а из них белки, липиды, углеводы, ДНК и РНК.

Приводились лабораторные доказательства возможности таких синтезов. Так, в 1953 году американский аспирант С. Миллер из метана, аммиака, водорода и воды при температуре 80^оС, при высоком давлении и при пропускании электрических раз­рядов получил аминокислоты – строительные мономеры белков. Позднее С. Фокс при нагревании смеси аминокислот синтезировал и сам белок. Были получены также мономеры ДНК и РНК.

Но разработчики теории понимали, что от органических веществ до простейшей клетки – дистанция большого размера. Как представлял себе Опарин, на определенном этапе химической эволюции происходило концентрирование органических веществ в плотных капельках – коацерватах.

В присутствии солей органические вещества отделяются от обще­го раствора в виде геля. Эти капли, коацерваты, получали искусственно. Некоторые их свойства были сравнимы с функциями живых клеток. Опарин даже допускал, что между коацерватами идет борьба за существование и “выживают” более устой­чивые, приспособленные к данной среде. Эту же мысль с позиций теории самоорганизации позднее развивал немецкий ученый М. Эйген. Он также считал, что происхождение жизни есть результат отбора и адаптаций на уровне органических макромолекул, притом что моле­кулярная система открыта для обмена веществом и энергией, способна к автокатализу и мутациям. Можно считать, что работы по самоорганизации коацерватов предвосхитили и стимулировали исследования самоорганизующихся систем типа брюс­селятора Белоусова–Жаботинского.

Но даже сложные коацерваты еще не представляли живые системы; это могла быть лишь стадия преджизни. Необходимо было объяснить возникновение механизма генетического кодирования и воспроизведения жизни. Классическая версия предполагает возникновение и включение в коацерваты нуклеиновых кислот и белков-ферментов. Однако в этой части бульонно-коацерватная модель имеет большие трудности. Все рассуждения о происхождении наследственности остаются спекулятивными, для них практически нет реаль­ных оснований. Причем они не объясняют самого главного: как возник генетический код, триплетное соответствие нуклеотидов ДНК, с одной стороны, и аминокислот белка – с другой. А ведь именно это соответствие представляет суть центральной догмы молекулярной биологии. Трудный вопрос: откуда взялся для построения ДНК и РНК фосфор – редкий элемент земной коры?

Таким образом, бульонно-коацерватная гипотеза происхождения жизни относится к числу тех, которые в настоящее время нельзя ни полностью подтвердить, ни целиком опровергнуть. Попытки объяснить происхождение кодированного соответствия ДНК и белка содержатся в другой модели абиогенного возникновения жизни, к рассмотрению которой мы и переходим.

(3) Живая материя из твердых минералов?

Сегодня все более популярными становятся твердоматричные модели возникновения жизни, которые исходят из того, что органические вещества образовались не в растворе, а на твердых минералах. Минеральная поверхность может служить катализатором, то есть резко ускорять реакции синтеза, и одновременно образцом (матрицей) для той химической структуры, которая на ней синтезируется.

Одной из обсуждаемых остается версия о происхождении жизни на минерале пирите FeS₂. Другой вероятный кандидат на роль матрицы жизни – кристал­ли­ческая глина. Она обладает большей структурной сложностью, чем пи­рит, ее кристаллы легко растут и мутируют. Согласно гипотезе, сначала в микротрещинах выветриваемых горных пород возникли глиняные «гены», затем они обрастали органическими молекулами и преобразовывались в нуклеиновые кислоты. Обсуждается также возможная роль кремнезема, слюды, кварца.

Совершенно особая ситуация возникла вокруг минерала апатита. Его большие залежи имеются в горах Хибинах, что на Кольском полуострове. Апатит добывают ради производства фосфатных удобрений, так как в его кристаллической решетке содержится много фосфора. Кроме того, кристаллический апатит присутствует в живых тканях, например в составе зубов и костей. Кристалл имеет форму бесконечно длинной колонки малого диаметра. Было проведено сопоставление данных рентгеноструктурного анали­за апатита, с одной стороны, и цепей ДНК и простых белков – с другой. В результате построена пространственная модель апатита с включенными фрагментами ДНК и белков.

Рис. 6.1. Схема поперечного сечения колонки минерала апатита

с включенными в нее элементами ДНК (заштрихованы) и белка (в центре) (Костецкий, 1999)

Как видно на рис. 6.1, в структуру кристалла апатита легко вписываются ДНК и несколько белковых цепей. Самым парадоксальным оказалось то, что периодичность повторяющихся элементарных ячеек в кристалле апатита в 0,34 нанометра точно совпадает с расстоянием между последовательными парами нуклеотидов в молекуле ДНК, а один шаг двойной спирали ДНК соответствует циклу в 6 ячеек апатита. На этих основаниях выдвинута гипотеза абиогенного синтеза нуклеопротеидов, то есть комплекса ДНК и белка, на матрице апатита (Костецкий, 1999).

При этом источником неорганического фосфата для ДНК выступал фосфат апатита без изменения его положения в струк­туре кристалла, а азот включался из синильной кислоты HCN и аммиа­ка NH₃. Согласно модели, апатит земной коры, находясь в безводной среде, подвергался постоянному и длительному воздействию глубин­ных газов NH₃, CH₄, HCN, CO и др. при высоких значениях давления и температуры. В таких условиях ослабляется кристаллическая решетка апатита, облегчается диффузия газовых компонентов вдоль оси кристал­ла при сохранении его структуры. Группы -PO₄, присутствующие в кристалле, остаются на своих местах и определяют диаметр и шаг спирали будущей молекулы ДНК, а другие, в частности избыточный кальций, замещаются на новые атомы из состава газовой смеси. Таким образом, при учас­тии элементов газовой фазы и апатита внутри кристалла, а не на его поверхности, мог осуществляться одновременный синтез ДНК и белка с постепенной заменой части минеральной матрицы органичес­кой основой. Источ­ником энергии для проведения синтезов служили силовое поле апатита, тепло глубинных процессов, энергия фосфатных связей апатита и эле­ментов газовой фазы.

Принципиально важным и революционным в апатитовой модели является то, что в неорганическом минерале уже была заложена структур­но-химическая основа ДНК и параллельно, спираль в спираль, основа белковых цепей. ДНК и белок возникли одновременно и в одной связке, поэтому и их генетическое соответствие родилось в кристалле по принципу стереоспецифической комплементарности (пространственной взаимной дополнительности). Отсюда легко выводит­ся и РНК как посредник между ДНК и белком. Объясняется и возникновение генетического кода – через естественные множествен­ные нарушения микроструктуры кристалла, которые закреплялись как неоднородности нуклеотидного состава ДНК. Модель предусмат­ри­вает и образование липидных мембран, а также целых протоклеток.

Поразмыслим над твердоматричной моделью с позиций нашего “магического” треугольника влияний: генетики, эпигенетики и синергетики. В качестве движущих факторов возникновения жизни в ней можно найти и генетические корни (преемственность кристаллической структуры апатита и ДНК), и самоорганизационные процессы (кристаллическая самосборка с замещением элементов и диссипацией энергии), и эпигенетическое влияние всей среды, приводившее, в частности, к мутациям кристаллической решетки.

* * *

Как видно, для решения проблемы происхождения жизни имеются весьма надежные основания. Современная наука уже располагает знаниями, достаточными, чтобы утверждать: жизнь возникла на первобытной Земле вполне естественным путем на основе преобразования неорганических субстратов в органические макромолекулярные комплексы и далее в протоклетки. Что касается конкретных механизмов образования органических комплексов, то, как пока­зывает последний материал, будущее, очевидно, за твердоматричными моделями, среди которых наиболее продуктивна модель апатитовой матрицы.