Современные концепции возникновения жизни

То, что клетки с иной биохимией до сих пор не найдены, косвенно свидетельствует против случайного занесения Жизни на Землю с помощью метеоритов. Во всяком случае, против занесения её с планеты, имеющей формы Жизни с разной биохимией.

Пытаясь разобраться в филогении прокариот, палеоботаники отмечают, что у них свободно сочетаются многие признаки. Поэтому система прокариот, по выражению Г.А. Заварзина, приобретает характер многомерной решётки. Узлы решётки отвечают таксонам, каждый из которых характеризуется определённым сочетанием признаков. Из-за того, что некоторые сочетания запрещены, в решётке образуются пробелы. Но остающиеся участки решётки не образуют структуру, которую можно было бы интерпретировать как филогенетическое дерево. Построение системы прокариот на филогенетической основе Г.А. Заварзин считает принципиально невозможным». Такая ситуация заставляет задуматься - не потому ли стало невозможным построение филогенетического древа прокариот, что на Земле в начале биологической эволюции одновременно появились не единицы, а десятки (или сотни?) видов прокариотических клеток с одинаковой биохимией?! Не потому ли мы не видим их филогенетического родства, что эволюционные пути прокариот разошлись задолго до их прибытия на Землю? Если такое предположение справедливо, то разговоры о случайном занесении Жизни на Землю можно полностью прекратить - слишком уж невероятно случайное падение на Землю с метеоритами десятков видов живых клеток с одинаковой биохимией!

В случае если Жизнь переносится в наиболее примитивных формах, эволюция получает максимальный простор. Появляется возможность наиболее разнообразного, оригинального и безудержного развития. Единственное сохраняющееся ограничение для всей эволюции - единый, общий вариант биохимии. Если инопланетяне, действительно, занесли клетки с одним типом биохимии, то они тем самым избавили Землю от хорошо знакомых им, надо думать, проблем, связанных с несовместимостью разных ветвей жизни. Скорее всего, они выбрали для переноса клетки именно с такой биохимией, какой обладали в то время сами.

§1.3 Теория Ю. А. Колясникова.

На сегодня очевидно, что рождение Жизни могло произойти только в жидкой воде. Однако ни один исследователь не обратился к этому универсальному растворителю как к возможному, и, быть может, основному участнику кодирования белков в ДНК, а тем более как к главному дирижеру буквально всех процессов в нашем организме. Скорее всего, гипнотизирующая простота химического состава воды не давала даже повода к такой мысли. Но, исключив воду из рассмотрения возможных претендентов на матрицу синтеза предбиологической органики, исследователи за сорок лет безуспешных поисков были вынуждены обратиться к очень популярным ныне среди космобиохимиков идеям внеземного происхождения жизни и направленной панспермии.

Однако при таком простом составе структура аномальной по всем свойствам воды настолько сложна, что не поддается всем самым современным методам исследования.

В 1990 году Ю. А. Колясников предложил оригинальную политетрамерную модель структуры воды, в которой роль молекул играют не Н2О, а сверхсжатые водные тетрамеры Н8О4, соразмерные кремнекислородным тетраэдрам - элементарным “кирпичикам” литосферы.

Важным элементом модели является обнаруженная графически рацемичность воды, то есть наличие в ней зеркально-симметричных, по распределению внутренних Н- связей, тетрамеров. А как полагали еще П. Кюри и В. И. Вернадский, правизна - левизна живого вещества есть следствие диссиметрии среды, в данном случае - воды. Кроме того, в живом веществе, вода находится в связанном состоянии, когда тетрамеры «развязываются», образуя, правые и левые спиральные цепочки, в которых в связи с дипольностью молекул может быть записана некая информация.

Попробуем представить, что происходило на Земле 4 млрд. лет назад.

Сейчас наука возвращается к взглядам Р. Декарта об изначально горячей Земле. Именно с таких позиций пытались представить возникновение Жизни, или биопоэз, Дж. Холдейн, А. И. Опарин, Дж. Бернал и другие, но без конкретного сценария образования самого первородного океана.

В своей теории (или сценарии), автор пытается восполнить этот пробел.

По мере остывания планеты ее плотный облачный покров, подобный венерианскому, опускался все ниже и ниже. Из облаков проливались горячие ливни, но поначалу они выкипали на лету. Наконец дождевые капли стали достигать поверхности, но они падали и тут же вскипали. Это продолжалось достаточно долго, вплоть до того момента, когда одна из них не выкипела целиком, упав, следовательно, на максимально охлажденную точку горячей протокоры, с которой и начался стремительный рост гидросферы. В составе тонкой пленки первородного бульона имелись все нужные для синтеза предбиологической органики компоненты, хотя сама вода была тогда в дефиците.

В той первой капле в подкипящем состоянии (250 - 200 оС и 50 атм.) первая тетрамерная спиральная цепочка связанной с жестким силикатным субстратом воды, совершенно случайно оказалось левовращающей (с той же вероятностью она могла быть и правовращающей). На ней была синтезирована первая аминокислота, которая уже не случайно получилась левовращающей. К первой тетрамерной цепочке присоединилась вторая, тоже левая, как и синтезированная на ней аминокислота, то есть все последующие аминокислоты становились левовращающими. И так последовательно заработал водно-матричный механизм синтеза сразу хирально-чистой аминокислотной органики.

Однако одновременно с левовращающими «разворачивались» и правовращающие тетрамерные цепочки связанной воды, на которых позднее начался синтез менее термостойких сахаров - основы нуклеиновых кислот. Такой синхронный синтез полипептидов и полинуклеотидов неумолимо вел к образованию сложных нуклеопротеидных комплексов с записью в их примитивной РНК однозначного генетического кода.

Итак, главным фактором хирального очищения органики и возникновения генетического кода живого вещества Земли могло быть лишь одно из необычайных свойств воды, а именно ее собственная рацемичность. Следует отметить также, что в принятых сейчас сценариях биопоэза синтез рацемичной предбиологической органики происходил в уже существовавшем океане, в котором позднее произошла хиральная катастрофа.

В интерпретации же Ю. А. Колясникова все началось с самой первой капли, и далее шла стремительная экспансия бульонной пленки с синтезом в ней сразу хирально-чистой органики, что исключает маловероятную хиральную катастрофу. В результате на поверхности планеты образовался первобытный Солярис, огромная сеть бульонной пленки состоящей из предбиологического органического вещества.

С появлением в первом вулканическом катаклизме 4 млрд. лет назад на поверхности планеты свободной воды, уцелевшие фрагменты первобытного Соляриса дезинтегрировались в плазмиды, прионы и наноразмерные нуклеопротеидные комплексы. Избегая прямого контакта с чуждой им объемной политетрамерной водой, последние сворачивались, формируя белковые капсулы с РНК внутри них. Следовательно, вторым этапом биопоэза можно считать образование в первичной гидросфере бесчисленного множества разнообразных протовирусов, вироидов и прочих.

Позднее появились мембраны разного состава, а на их основе возникли первые клетки как вполне автономные истинно живые системы. Но и те, и другие продолжали использовать в своей жизнедеятельности первичную водную матрицу, обеспечивающую ускоренный синтез их биополимеров.

§1.4 Теория У. Мартина и М. Рассела

Уильям Мартин из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе, Германия, и Майкл Рассел из Центра изучения окружающей среды, Университет Шотландии, Глазго, Великобритания утверждают, что первые живые организмы на Земле могли появиться внутри камней, выстилающих дно океана.

Более 4 миллиардов лет назад крошечные полости внутри минералов могли выступить в роли клеток.

Ключевой момент в этой теории - отложения сульфида железа (FeS). В горячих источниках на морском дне это соединение образует «соты» с ячейками шириной в несколько сотых миллиметра. Как считают Мартин и Рассел, эти ячейки - идеальное место для возникновения жизни По сравнению с другими гипотезами возникновения жизни на Земле, теория Мартина и Рассела уникальна тем, что она предполагают, что возникновение клетки предшествовало возникновению белков и самореплицирующихся молекул. С притоком горячей воды в ячейки попадают ионы аммония (NH4+) и монооксид углерода (CO), и сульфид железа выступает в роли одного из катализаторов синтеза органических веществ из неорганики. Простые соединения концентрировались в «камерах» из сульфида железа, что могло привести к возникновению сложных молекул - белков и нуклеиновых кислот.

Форд Дулитл из канадского университета Далхаузи, Галифакс считает данную теорию красивой и практически всеобъемлющей. Другие ученые согласны, что ячейки сульфида железа вполне могут быть «инкубаторами» первичных жизненных форм, однако указывают на «недостающее звено» между простыми органическими соединениями и химией живых существ. Так, Пьер Луиджи Люизи из Федерального института технологий в Цюрихе, Швейцария считает, что без объяснения происхождения ферментов все вышесказанное останется голой теорией.

Мартин и Рассел предположили, что живые организмы покинули каменные ячейки, когда научились сами строить клеточную стенку. Поэтому они выдвинули довольно спорное предположение о том, что жизнь на Земле возникала дважды. Об этом, по их мнению, свидетельствует большая разница в строении клеточной стенки у двух основных царств примитивных прокариот - бактерий и архебактерий.

С этим согласны далеко не все. Например, Томас Кавалье-Смит из Оксфордского университета в Великобритании говорит, что у бактерий и архебактерий есть сотни гомологичных генов, а также множество сходных признаков, таких как, скажем, способ встраивания белков в мембрану.

Мартин в ответ утверждает, что из-за способности бактерий обмениваться ДНК сейчас нам трудно установить последовательность событий только на основе генетики. Он предполагает, что выход обоих царств из каменных ячеек произошел около 3,8 миллиардов лет назад, в то время как самые древние ископаемые образцы, бесспорно свидетельствующие о наличии бактерий на Земле, относятся к периоду около 2,5 миллиардов лет назад, хотя некоторые исследователи говорят о возникновения жизни еще 3,5 миллиарда лет назад.

§1.5 Гипотеза Сванте Аррениуса

Даже если считать, что путь от неживой материи к прокариотической клетке не сложнее, чем последующее формирование клеточного ядра (что далеко не так), а скорость эволюции неизменна (в действительности она постоянно нарастает), то и тогда создание первой клетки должно было бы длиться хотя бы столько, сколько длилось формирование ядра (т.е. 2,0?2,4 млрд. лет). Как же воспринять практическое отсутствие этого промежутка времени, отсутствие столь принципиально важного предбиологического этапа эволюции, этапа подхода к появлению Жизни?

Противоречие в сроках, как и противоречия однотипной биохимии, касаются ранних этапов биологической эволюции, не оставивших ясных следов в палеонтологической летописи. Это требует более внимательного и критического рассмотрения проблемы возникновения жизни на Земле в целом.

В бывшем СССР официальной наукой признавалась только „материалистическая теория происхождения жизни” А.И. Опарина (1922 г.) и примыкающие к ней работы. Речь шла о развитии клеток из так называемых коацерватных капель в водах Первичного океана. За рубежом же ещё ранее была высказана гипотеза С. Аррениуса о случайном занесении на Землю жизни из космоса, получившая название гипотезы панспермии.

Обращаясь к истории представлений о панспермии, можно отметить, что идея о существовании внеземной жизни высказывалась не только в религиозных учениях, в священной книге индусов Веде, в Авесте персов, в учении Заратустры, но и в трудах философов древнего мира. По учению о панспермии древнегреческого мыслителя Анаксагора, зародыши жизни распространены повсюду. Философская школа Эпикура учила, что существует множество обитаемых миров, подобных нашей Земле.

Один из сторонников этой школы Митридор сказал, что «считать Землю единственным населённым миром в беспредельном пространстве было бы такой же вопиющей нелепостью, как утверждать, что на громадном засеянном поле мог бы вырасти только один пшеничный колос».

Римский философ Лукреций Кар в поэме «О природе вещей» писал: «Весь этот видимый мир вовсе не единственный в природе, и мы должны верить, что в других областях пространства имеются другие земли с другими людьми и другими животными». Аналогичную мысль выражал Джордано Бруно. Он писал: «Существуют бесчисленные солнца, бесчисленные земли, которые кружатся вокруг своих солнц, подобно тому, как наши 7 планет кружатся вокруг нашего Солнца... На этих мирах обитают живые существа».

Вопреки старинному латинскому звучанию фамилии, шведский учёный Сванте Август Аррениус (1859-1927) относился к наиболее передовым мыслителям рубежа столетий. Он стал одним из основателей физической химии, автором теории электролитической диссоциации и основного уравнения химической кинетики, трудов по астрономии, астрофизике и биологии, лауреатом Нобелевской премии, иностранным членом-корреспондентом Петербургской Академии Наук, а позже - иностранным почётным членом Академии Наук СССР.

Кроме Аррениуса, в XIX и первой четверти XX ст. сторонниками учения о панспермии были выдающиеся зарубежные учёные Ф. Кон, Ю. Либих, Г. Гельмгольц, В. Томсон. В более позднее время мысль о возможности переноса спор бактерий через космическое пространство поддерживал американский учёный К. Саган. На территории бывшего СССР сторонниками учения о панспермии были С.П. Костычев, П.П. Лазарев, Л.С. Берг.

§1.6 Гипотеза А.И Опарина.

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

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

С самого начала этот процесс был связан с геоло-гической эволюцией. В настоящее время принято счи-тать, что возраст нашей планеты составляет примерно 4,3 млрд лет. В далеком прошлом Земля была очень горя-чей (4000-8000 °С). По мере остывания образовывалась земная кора, а из воды, аммиака, двуокиси углерода и метана - атмосфера. Такая атмосфера называется «вос-становительной», поскольку не содержит свободного кислорода. При падении температуры на поверхности Земли ниже 1000C образовались первичные водоемы. Под действием электрических разрядов, тепловой энер-гии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси происходил синтез органических веществ-мономеров, кото-рые локально накапливались и соединялись друг с дру-гом, образуя полимеры. Можно допустить, что тогда же одновременно, с полимеризацией шло образование над-молекулярных комплексов-мембран.

По однотипным правилам синтезировались в «первичном бульоне» гидросферы Земли полимеры всех типов: аминокис-лоты, полисахариды, жирные кислоты, нуклеиновые кислоты, смолы, эфирные масла и др. Это предположение было провере-но экспериментально в 1953 году на установке Стэнли Мил-лера, которому удалось получить многие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряд аминокис-лот, аденин и простые сахара. Позднее в сходном эксперимен-те были синтезированы нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты).

Органические вещества скапливались в сравнительно не-глубоких водоемах, прогреваемых Солнцем. Солнечное излу-чение доносило до поверхности Земли ультрафиолетовые лу-чи, которые в наше время сдерживаются озоновым слоем атмо-сферы. Так энергией обеспечивалось протекание химических реакций между органическими соединениями и синтез поли-меров.

Первичные клетки предположительно возник-ли при помощи молекул жиров (липидов).

Молекулы воды, смачивая только гидрофильные кон-цы молекул жиров, ставили их как бы «на голову», гид-рофобными концами вверх. Таким способом создавал-ся комплекс упорядоченных молекул жиров, которые за счет прибавления к ним новых молекул постепенно от-граничивали от всей окружающей среды некоторое про-странство, которое и стало первичной клеткой, или коацерватом -- пространственно обособившейся цело-стной 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 нук-леиновых кислот. Такие системы, черпающие из окружа-ющей среды вещества и энергию, могут противостоять нарастанию энтропии и способствовать ее уменьшению в процессе своего роста и развития, что является харак-терным признаком всех живых систем.

Естественный отбор сохранял те системы, в ко-торых были более совершенными функция обме-на веществ и приспособленность организма в це-лом к существованию в данных условиях внешней среды.

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

Концепция А. И. Опарина в научном мире весьма попу-лярна. Сильной ее стороной является точное соответствие тео-рии химической эволюции, согласно которой зарождение жиз-ни - закономерный результат. Аргументом в пользу этой кон-цепции служит возможность экспериментальной проверки ее основных положений в лабораторных условиях.

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

Глава II. Опытно - экспериментальная часть

§2.1 Абиотический синтез биомономеров

Синтез аминокислот при действии электрических разрядов в газовой смеси, имитирующей возможный состав примитивной земной атмосферы, был осуществлен еще в 1953 г в широко известных в настоящее время опытах Миллера. Использованный для этой цели прибор Миллера изображён на рис 1. Он состоит из большого круглого сосуда, в котором находится исходная смесь газов и в котором производится электрический разряд, а также малой колбы с кипящей водой - в ней скапливаются получающиеся продукты.

При действии искрового или тихого разряда на смесь СН4, NH3, H2 и паров воды при постоянной (в течение недели) циркуляции смеси в малой колбе были обнаружены глицин, ?-аланин, ? -аминомасляная и ? -аминоиз масляная кислоты, ?-аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, саркозин и N-СН2-аланин. Промежуточными продуктами этой реакции являлись альдегиды HCN.

Рис. 1. Прибор Миллера для синтеза органических соединений в восстановительной атмосфере под действием искровых разрядов

1 -- колба с кипящей водой; 2 -- к вакуумному на-сосу; 3 -- электроды;

4 -- искровой разряд; 5 -- смесь газов (СН4,NH3, Н2О, Н2); 6 -- выход воды из холодильника; 7 -- холодильник; 8 -- подача воды в холодильник; 9 -- вода, содержащая

органические соеди-нения; 10 -- ловушка

Данные Миллера были подтверждены в работе Т. Е. Павловской и А. Г. Пасынского, в которой применялась несколько другая аппаратура, а избыточное количество водорода заменялось на СО. В последующих работах указанных авторов было обосновано положение, согласно которому любая реакция, приводящая к образованию альдегидов и HCN, обязательна должна была способствовать накоплению ? -аминокислот в гидросфере первичной Земли.

Эбельсон, используя более сложную исходную смесь газов, включающую наряду с СН4, NH3 и Н2О также) СО, СО2 и N2, получил аналогичную Миллеру смесь аминокислот.

Оро, используя С2- и С3-углеводороды и концентри-рованный NH4OH, дополнил указанный список синтези-рованных в искровом разряде аминокислот лейцином изолейцином и валином.

Гроссенбахер, пропуская искровой разряд в специ-ально сконструированном приборе в течение 100 - 200 час. через смесь NH3, CH4 и Н2, получил в водном ; растворе смесь аминокислот (соотношение в молях): аспарагиновая кислота -- 2, треонин -- 4, серии--14, гли-цин-- 16, аланин--14, лизин -- 4, лейцин -- 2, изолейцин -- 2 и глутаминовая кислота -- 1. Кроме того, он обнаружил пептиды, состоящие из глицина и аланина (5:1), а также глицина и изолейцина. К концу опыта продукты полимеризации аминокислот выделялись из раствора в виде мелких многомолекулярных сфер или капель.

Менее многочисленны исследования по синтезу ами-нокислот при воздействии на смесь примитивных газов ионизирующими излучениями. Здесь можно назвать опы-ты Дозе и Раевского, обнаруживших образование кис-лых и нейтральных аминокислот при действии рентгено-вых лучей на газовую смесь СН4, NH3, H2, CO2, N2 и Н2О. При облучении ?-лучами от линейного ускори-теля (2 Мэв) растворов ацетата аммония Гассельстромом, Генри и Мурром были получены глицин и аспарагиновая кислота, а при Х-облучении 60Со (5*108 р) твердого карбоната аммония Пашке, Чанг и Янг доказали образование глицина и аланина. Пальм и Кальвин, действуя на смесь метана, аммиака, водорода и паров воды пучком быстрых электронов (5 Мэв при дозе 1010 эрг), синтезировали глицин и аспарагиновую кис-лоту.

Образование аминокислот при простом нагревании исходных растворов было впервые обнаружено Фоксом, Джонсоном и Вегодским. Оро с сотрудниками показал, что ряд аминокислот (глицин, аланин, серии, аспара-гиновая кислота, треонин) получается просто при нагре-вании в течение 40--60 час. водных смесей формаль-дегида и гидроксиламина при 80--100° С или даже при более низких температурах. Аналогичные результаты были получены Левом, Рисом и Маркхемом, которые нагревали 1,5 М водный раствор NH3 и HCN при 90° в течение 18 час. и обнаружили при этом значитель-ное количество аминокислот, частично входящих в пеп-тиды и освобождающихся после гидролиза продуктов реакции (в том числе, кроме глицина, аланина и аспарагиновой кислоты, они получили также лейцин, изолейцин, серии, треонин и глутаминовую кислоту).

Но, конечно, основное значение для первичного абио-генного синтеза органических веществ имела все же энергия коротковолновых ультрафиолетовых лучей, лег-ко достигавшая земной поверхности вследствие отсутст-вия в доактуалистическую эпоху озонового экрана. Син-тез аминокислот и других органических соединений при экспериментальной имитации такого рода условий осо-бенно широко представлен сейчас в мировой литера-туре.

Т. Е. Павловская и А. Г. Пасынский при облучении водных растворов, содержащих 2,5% формальдегида и до 1,5% хлористого или азотнокислого аммония, ультра-фиолетовыми лучами от лампы ПРК-2 в течение 20 час. установили образование следующих аминокислот: серина, глицина, глутаминовой кислоты, аланина, валина, фенилаланина и основных аминокислот -- лизина, орнитина и аргинина.

В присутствии адсорбентов (бентонита, каолинита, лимонита и оптического кварца) были найдены те же аминокислоты (за исключением основных) и, кроме того, изолейцин. В последующей работе было показано образование треонина, а при замене формальдегида ацетальдегидом -- аргинина и тирозина. Аналогичные результаты были получены другими авторами при облу-чении коротковолновым ультрафиолетовым светом сме-си примитивных газов и их ближайших производных. Нужно отметить, что как при электрических разрядах, так и при освещении ультрафиолетовыми лучами в ис-пользованных для синтеза примитивных смесях образу-ются не только аминокислоты, но также органические кислоты и альдегиды, амины и амиды, в частности мочивина. Вместе с тем в этих условиях происходит полимеризция мономерных молекул, приводящая к образо-ванию более сложных соединений.

§2.2 Абиотический синтез полимеров

Следующим за образованием мономеров шагом эволю-ции на пути к возникновению жизни являлось их объ-единение в полимеры, в частности в соединения, ана-логичные белкам и нуклеиновым кислотам, играющим исключительно важную роль в организации живых су-ществ.

Принципиальная возможность такой далеко идущей абиогенной полимеризации органических веществ под-тверждается рядом опытов, где в качестве мономеров использовались в первую очередь аминокислоты и род-ственные им соединения.

Здесь прежде всего нужно упомянуть об исследова-ниях Акабюри, который еще в 1955 г. указывал на воз-можность в условиях примитивной Земли абиогенного синтеза протобелков (т. е. аминокислотных полимеров со случайным расположением аминокислотных остатков в полипептидной цепи). Вскоре он доказал эту возмож-ность экспериментально, получая из формальдегида, ам-миака и HCN аминоацетонитрил, поликонденсат кото-рого адсорбировался на каолине с образованием поли-глицина. Затем в полиглицин можно вводить боковые Цепи путем реакции с альдегидами или с ненасыщенны-ми углеводородами. Таким путем Акабюри удалось получить полиглицин и его аналоги с молекулярным весом приблизительно равным

15 000.

Фокс и его сотрудники, имитируя вулканические условия, подвергали смесь 18 аминокислот нагреванию при 170° С на куске лавы в течение 6 час. Для того чтобы расплавить смесь до ее обугливания, бралось из-быточное количество дикарбоновых аминокислот. В других случаях нагревание осуществлялось в присутствии полифосфатов, что позволяло снизить температуру на-гревания до 100° С.

При таком температурном воздействии образуется янтарного цвета полимер с молекулярным весом в не-сколько тысяч (от 5 000 до 10 000), содержащий все взя-тые в опыт типичные для белка аминокислоты (поте-рявшие, однако, свою оптическую активность). Этот по-лимер был назван Фоксом протеиноидом за его сходство по ряду признаков с белками.

При дальнейших исследованиях были выявлены два очень интересных свойства протеиноидов: во-первых, то, что они обладают известной внутримолекулярной упорядоченностью, повторяющейся последовательностью аминокислотных остатков, и, во-вторых, име-ют хотя и слабую, но вполне экспериментально обнару-живаемую ферментативную активность (катализ гидро-лиза, декарбоксилирования, аминирования и дезамннирования).

Из многочисленных работ по синтезу полипептидов в водной среде следует назвать следующие: поликонден-сацию глицина при его нагревании в водном растворе аммония, при ?-облучении; ацетилглицин при термаль-ной обработке растворов цианистого аммония, при на-гревании смеси HCN, NH3, при полимеризации аминоацетонитрила, цианамида и дицианамида.

Очень важным вопросом при синтезе полипептидов и белковоподобных соединений является та последова-тельность, с которой аминокислотные остатки связыва-ются между собой в полипептидные цепи. При совре-менном биологическом синтезе белков эта характерная для каждого индивидуального белка последователь-ность (первичная структура) определяется нуклеиновым кодом, но, как указывалось выше, уже при термальном синтезе Фокса, в отсутствие нуклеиновых кислот создался некоторый постоянный порядок соседствования аминокислот.

Штейнман присоединял первую в ряду аминокисло-ту к гранулам высокомолекулярного полимера (хлорметилированного полистирола) и таким образом получал смолу с присоединенной к ней одной аминокислотой. За-тем он исследовал относительную эффективность при-соединения к ней ряда других аминокислот с незащи-щенной аминогруппой.

Экспериментально определяя выходы различных дипептидов, Штейнман сопоставлял эти результаты с ча-стотой аминокислотных пар, определенных по «Атласу белковых структур» в современных белках, и обнару-жил значительное совпадение. Кальвин в своей книге «Химическая эволюция» дает модель системы воспроиз-ведения полипептида без матрицы, на основании конт-роля со стороны растущего конца. Интересно сопоста-вить эти высказывания Кальвина с замечательным син-тезом полипептида (грамицидина С), осуществленным Липманном.

В более сложных и довольно трудновоспроизводимых в природе условиях были синтезированы и поли-меры нуклеотидов, образующие цепочки, аналогичные молекулам нуклеиновых кислот современных орга-низмов.

Замечательные работы Корнберга и другие показали возможность синтеза нуклеиновых кислот in vitro. Одна-ко эти биосинтезы могут проходить только в присутст-вии соответствующего специфического фермента, и по-этому они не могут служить моделью для абиогенных процессов на примитивной Земле.

Некоторая вероятность такого синтеза была впервые намечена Шраммом в его работах с полифосфорным эфиром. В дальнейшем было показано, что цитидинфосфат может конденсироваться в олигонуклеотиды с по-мощью полифосфорной кислоты. В модельных опытах, более приближающихся к условиям первичной Земли, была показана способность карбодиимида стимулиро-вать образование ди- и тринуклеотидов из смеси нуклеозидов и нуклеотидов в разведенных водных растворах (Оргель и сотр.).

Особую роль в процессах первичной полимеризации играют, по-видимому, фосфорные соединения. При температурах около 300° С и выше фосфорная кислота полностью конденсируется с образованием полифосфатов. Поэтому на поверхности примитивной Земли, с ее широко идущим локальным разогревом, полифосфаты и их органические соединения должны были образовываться в довольно широком масштабе.

В настоящее время неорганические полифосфаты об-наружены в значительных количествах у низших орга-низмов: у бактерий, водорослей, грибов и некоторых простейших. Это линейные полимеры ортофосфорной кислоты с молекулярным весом 30 000--100 000. Из ряда объектов выделены также циклические тримета- и тетраметафосфаты.

Как было показано Н. С. Кулаевым и другими, не-органические полифосфаты играют существенную роль в энергетическом обмене низших организмов в противо-положность высокоорганизованным живым существам, для которых они не являются характерными.

Все это позволяет думать, что на заре возникнове-ния жизни на Земле неорганические полифосфаты впол-не могли участвовать в образовании простейших меха-низмов сопряжения энергодающих и энергопотребляю-щих реакций, т. е. играть ту роль в предбиологическом и раннем биологическом обмене, которая сейчас осу-ществляется аденозинтрифосфорной кислотой.

Поннамперума, Саган и Маринер использовали этилметафосфат для модельных опытов по синтезу нуклеотидных компонентов. При этом необходимым источни-ком энергии им служил ультрафиолетовый свет с дли-ной волны 2400--2900 А, который был вполне доступен примитивной земной поверхности. Синтезы велись в вод-ных растворах аденина, аденозина, адениловой кислоты, рибозы и этилметафосфата. Смеси освещались ультрафиолетовым светом с длиной волны 2537 А при 40°С. При этом было установлено превращение аденина в аденозин, аденозина в аденозинмонофосфат (АМФ), АМФ в аденозиндифосфат (АДФ) и наконец АДФ в аденозинтрифосфат (АТФ). Таким образом, была доказана возможность абиотического синтеза в условиях доактуалистической земной поверхности аденозинтрифосфорной кислоты - этой основной «энергетической валюты» современных высших организмов.

Итак, широко развернувшиеся в настоящее время мо-дельные опыты по абиотическому синтезу органических веществ в условиях, имитирующих примордиальные зем-ные условия, позволяют нам с известной долей вероят-ности представить себе последовательный ход химиче-ской эволюции от простейших углеродистых соединений к высокополимерным веществам, из которых образова-лись те «организованные элементы» или примитивные организмы, остатки которых мы обнаруживаем в отло-жениях земной коры.

На этом этапе развития материи и произошел на нашей планете переход от химической эволюции к био-логической, когда из гомогенного раствора органических веществ обособились индивидуальные целостные систе-мы -- пробионты, а затем и первичные живые существа.

Мы можем составить представление об этом перехо-де путем сопоставления современных данных сравни-тельной биохимии с лабораторными модельными опыта-ми.

Сравнивая первые теории, выдвинутые несколько десятилетий назад Опариным, Холдейном и Берналом - первопроходцами в этой области исследований, - с положениями, достигнутыми к настоящему времени, мы видим, как из набора слабо обоснованных фактами гипотез, выросла современная теория, как неизмеримо увеличились наши знания. Мы знаем теперь слабые места исходных гипотетических построений. На многих примерах мы поняли, какие из этих построений надо отбросить, какие заслуживают сохранения. В результате отпали многие неясности, мы смогли точнее представить себе, как возникла жизнь.

Даже сейчас, не ожидая новых открытий, которые, несомненно, появятся в будущем, мы с высокой степенью вероятности можем утверждать, что жизнь развилась естественным путем из некоей преджизни, состоявшей из «органических» соединений, созданных в результате неорганических процессов.. эта теория хорошо согласуется с большим числом проверенных научных фактов и наблюдений, полученных специалистами в самых разных естественных науках. В этом ее преимущество перед более ранними гипотезами, в которых было немало противоречий и несуразиц, тем более если включать в их число постулаты о внеземном, а то и сверхъестественном происхождении жизни. Сейчас эти постулаты признаются не только недостоверными, но и просто излишними; наука их отбрасывает. Жизнь на Земле могла возникнуть естественным путем, и, судя по известным фактам, именно так она и возникла.

Список литературы

1. Камшилов М. М. Эволюция биосферы. М.: «Наука», 1974. 57-69, 87, 90-91, 94-96, 117-120, 240с.

2. Колясников Ю. А. К тайнам мироздания. Магадан: СВНЦ ДВО РАН, 1997. 225 с.

3. Компаниченко В. Н. Возникновение жизни в глубинах гидротермальных систем. Хабаровск, 1996, 24-38, 98-100с.

4. Калвин В. Химическая эволюция. М.: «Наука», 1971 - 10-14, 25-33, 45-49, 58-60 с.;

5. Опарин А.И. Материя - Жизнь - Интеллект. М.: «Наука», 1977, 5-6, 96-117 с.

6. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. - М.: Гардарики, 2000. - 115-124с.

7. Мотылёва Л.С., Скоробогатов В.А., Судариков А.М. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов - СПб.: Издательство Союз, 2000. - 228-237с

Страницы: 1, 2