Палеоэкология: учебное пособие

3.2. Первую глубоко аргументированную теорию абиогенеза сформулировал в 1920-е гг. советский биохимик А. И. Опарин. В его теории главным было признание того, что при определенных условиях, которые могли существовать на Земле на ранних этапах ее геологической истории, мог происходить естественный синтез простейших органических веществ и последующее их усложнение, завершившееся образованием каплевидных конкреций, которые в воде Первичного Океана вели себя как живые существа: обменивались различными веществами с окружающей водой, поглощали другие, меньшие по размерам, каплевидные конкреции, а также отдельные молекулы белков, Сахаров и других органических веществ. Наиболее крупные из них могли делиться. А. И. Опарин назвал такие образования коацерватами («накопленными»).

Теория А. И. Опарина не встретила сколько-нибудь серьезных возражений со стороны ученых, но на долгие годы осталась чисто умозрительным построением, демонстрируя лишь один из возможных путей возникновения жизни.

Подтверждение пришло лишь в начале 1950-х гг. в экспериментах американского биохимика С. Миллера, ученика знаменитого биохимика Г. Юри и под влиянием его идей. Смесь метана, аммиака, водорода и водяного пара подвергалась воздействию электрических разрядов, что имитировало состав первичной атмосферы Земли и наличие в ней мощных гроз. В результате образовалось несколько аминокислот из числа тех двадцати, что входят в состав белков, а также аденин и рибоза (компоненты нуклеиновых кислот).

Вскоре после С. Миллера советские исследователи Т. Павловская и А. Пасынков получили ряд аминокислот, облучая коротковолновыми ультрафиолетовыми лучами водные растворы формальдегида и солей аммония, имитируя условия, существовавшие в Первичном Океане, когда атмосфера, не содержащая кислорода, свободно пропускала ультрафиолетовое излучение Солнца. Позднее японский ученый К. Харада и американский – С. Фокс получали аминокислоты, нагревая смесь тех же газов, что использовал в своем эксперименте С. Миллер, на нагретой до 150–180 °C затвердевшей лаве, имитируя условия, существовавшие на Земле в период активной вулканической деятельности. Наконец, все основные компоненты нуклеиновых кислот – пуриновые, пиримидиновые основания и сахара – рибозу и дезоксирибозу – получали испанец Дж. Оро (путем использования инфракрасных лучей) и американец С. Поннамперума (используя радиоактивное облучение).

Таким образом, было экспериментально подтверждена возможность возникновения жизни путем абиогенеза непосредственно на Земле, без заноса из Космоса.

В настоящее время ни теория панспермии, ни теория абиогенеза окончательно не подтверждены и не опровергнуты. Надо только отметить, что, если мы остановимся на точке зрения заноса жизни из Космоса, то должны признать наличие во Вселенной очень большого числа биосфер (астрономы подтвердили наличие в непосредственной близости от Солнечной Системы по крайней мере 20 звезд, имеющих планетные системы). Если же примем теорию образования жизни непосредственно на Земле, то может оказаться, что биосфера Земли – явление уникальное.

3.3. Переход от преджизни к жизни, возможно, происходил на Земле неоднократно и в различных ее точках. Очень долгое время могли существовать совместно и преджизнь, и жизнь. С. Фокс предположил, что синтез полипептидов (при отсутствии еще ферментных систем) должен был лучше идти при высоких температурах, так как при соединении двух аминокислот выделяется молекула воды, и чтобы реакция шла быстрее, воду нужно удалять. И он помещал смесь аминокислот на затвердевшую вулканическую лаву, нагретую до 150–180 °C, при этом образовывались полипептиды из 20-ти и более молекул различных аминокислот (термические протеиноиды). Растворенные в воде, термические протеиноиды сливались в мельчайшие образования – микросферы, очень напоминающие гипотетические коацерваты А. И. Опарина.

Вышеуказанные факты дали основание советскому ученому JI. Мухину выдвинуть такую гипотезу: возникновение жизни, скорее всего, произошло в зонах действия подводных вулканов. При их извержениях выбрасываются из недр Земли различные вещества, необходимые для первичного биосинтеза, а температура достаточно высока и имеется вода, отнимающая излишки тепла и предоставляющая среду для последующего обитания микросфер (коацерватов).

Около 3,5–2,5 млрд лет назад на Земле была очень активная вулканическая деятельность, и именно в отложениях этого времени мы находим остатки бактерий и сине-зеленых водорослей. Некоторые виды этих наиболее просто устроенных организмов и сейчас живут в горячих источниках на склонах действующих и потухших вулканов и в водоемах, питаемых водами гейзеров. Вполне могло быть, что в дальнейшем эволюция шла по пути освоения все более и более холодных субстратов.

В последнее время морская геология обогатилась открытием на морском дне на больших глубинах очень своеобразных структур, так называемых «черных курильщиков», небольших, от нескольких сантиметров до нескольких метров высотой конусов, из которых в воду Мирового Океана выделяется ювенильная вода из верхних слоев мантии Земли, содержащая различные вещества, в том числе и биогенные элементы. Есть сведения, что в воде в непосредственной близости от этих «курильщиков» обнаружены отдельные аминокислоты и даже обрывки полипептидных цепей. Если эта информация подтвердится, это будет фактом, прямо подтверждающим возможность абиогенеза непосредственно на Земле.

Вероятно, первоначально синтез белка шел на белковых же матрицах, впоследствии они были заменены матрицами нуклеиновых кислот. Есть даже теория американского биохимика А. Кернс-Смита, что первые матрицы могли быть неорганическими. Он обнаружил аналогию с матричным синтезом белков при образовании наслоений некоторых глин и предположил, что на таких «матрицах» могли бы быть синтезированы первые белковые полимеры, а впоследствии уже на таких полимерах формировались другие, более сложные, белки.

В дальнейшем в самих коацерватах входящие в их состав вещества вступали в различные химические реакции; при этом происходило поглощение коацерватами ионов металлов и образование ферментов. На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивавшей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват предсуществующей молекулы, способной к самовоспроизведению, и внутренней перестройки покрытого липидной оболочкой коацервата, могла возникнуть примитивная клетка. Увеличение размеров коацерватов и их фрагментация, возможно, вели к образованию идентичных коацерватов, которые могли поглощать больше компонентов среды, так что этот процесс мог продолжаться. Такая предположительная последовательность событий должна была привести к возникновению самовоспроизводящегося гетеротрофного организма, питающегося органическими веществами, рассеянными в водах Мирового Океана. Что же касается формы этих организмов, то особенности взаимодействия первичных агрегаций живой органики и воды должны были образовать округлую форму коацерватов.

Эпоха преджизни создала неограниченную кормовую базу для первых гетеротрофных организмов. Только гетеротрофы могли использовать имеющиеся во внешней среде запасы энергии, заключенные в сложных органических веществах Первичного Океана. Химические же реакции, необходимые для синтеза питательных веществ, сложны и вряд ли могли возникнуть у первичных форм жизни.

В наше время, если сложные органические вещества и возникают в воде Мирового Океана естественным путем (например, в результате деятельности «черных курильщиков»), они немедленно утилизируются, а в эпоху возникновения первых организмов их некому было потреблять. Еще Ч. Дарвин писал в 1871 г. «Часто говорят, что все необходимые для создания живого организма условия, которые могли когда-то существовать, имеются и в настоящее время. Но если (ох, какое это большое «если») представить себе, что в каком-то небольшом теплом пруду, содержащем всевозможные аммонийные и фосфорные соли, при наличии тепла, света, электричества и т. п. образовался бы химическим путем белок, готовый претерпеть еще более сложные превращения, то в наши дни такой материал непрерывно пожирался бы или поглощался, чего не могло случиться до того, как появились живые существа».

3.4. Итак, несмотря на большое количество гипотез и экспериментальных исследований, проблема возникновения жизни остается до конца не решенной. При всех успехах биохимии, многие аспекты этой проблемы носят в значительной мере умозрительный характер. Из всего количества гипотез (мы рассмотрели лишь основополагающие) пока не представляется возможным выделить руководящую, которая могла бы превратиться во всеобъемлющую теорию. Подробности перехода от сложных органических веществ к простейшим живым организмам пока еще покрыты тайной.