Условия для возникновения жизни

В наше время большая часть ученых полагает, что жизнь возникла естественным путем из неживой материи, но в условиях, резко отличающихся от современных и на протяжении периода, длившегося сотни миллионов лет.

При каких условиях может возникнуть жизнь?

Из необходимых химических веществ вода имеется на Земле в изобилии, а прочие неорганические соединения присутствуют в горных породах, в газообразных продуктах извержений вулканов и в атмосфере.

Но прежде чем говорить о том, как из этих простых соединении могли бы за счет различных источников энергии образоваться органические молекулы, обсудим третье и четвертое условия.

Время. Известно, что если при наличии катализатора то или иное превращение данного количества вещества завершается за одну-две секунды, то в его отсутствие для того же превращения могли бы потребоваться миллионы лет.

Разумеется, и до появления катализаторов-ферментов химические реакции, хотя и медленно, но протекали.

После того как простые органические молекулы появились, они должны были бы еще объединяться во все более крупные и сложные структуры, а вероятность того, что это произойдет, да еще при надлежащих условиях, представляется крайне ничтожной.

Однако при наличии достаточного времени даже самые маловероятные события могут рано или поздно произойти.

По современным данным, Земля образовалась приблизительно 5 млрд лет назад, а первые известные нам остатки прокариотических клеток обнаружены в горных породах, сформировавшихся на 1,1 млрд лет позднее.

Проведенные в соответствии с математической теорией вероятностей оценки показывают, что сколько бы ни маловероятным представлялось появление живых систем, тем не менее, времени (около 1 млрд лет) для таких случайных процессов могло быть достаточно.

Отсутствие газообразного кислорода. Очевидно, что жизнь могла возникнуть лишь в то время, когда в земной атмосфере не было или почти не было кислорода О₂.

Кислород взаимодействует с органическими веществами и разрушает их или лишает их тех свойств, которые делали бы их полезными для предбиологических систем. Это происходит медленно, но все же гораздо быстрее, чем протекали реакции, в результате которых должно было происходить образование органических веществ на древней Земле до появления жизни.

Поэтому если бы органические молекулы на древней Земле соприкасались с кислородом, то они существовали бы недолго и не успевали бы образовать более сложные структуры.

Древнейшие породы образовались на Земле в то время, когда ее атмосфера еще не содержала кислорода. Атмосферы самых больших планет нашей Солнечной системы Юпитера и Сатурна состоят главным образом из газообразного водорода (Н₂), воды (Н₂О) и аммиака (NН₃).

Первичная земная атмосфера могла иметь такой же состав, но водород, будучи очень легким, вырывался, вероятно, из сферы притяжения Земли и рассеивался в космическом пространстве.

Солнечное излучение, гораздо более интенсивное на Земле, чем на внешних планетах, должно было вызывать разложение аммиака на газообразный водород (тоже ускользавший в космическое пространство) и газообразный азот.

В то время, когда на Земле зарождалась жизнь, земная атмосфера состояла, вероятно, главным образом из водяных паров, двуокиси углерода и азота с небольшой примесью других газов при почти полном отсутствии кислорода. Практически весь кислород, содержащийся в атмосфере в настоящее время, — это продукт фотосинтеза, происходящего в живых растениях.

Поиски истоков жизни

В 1924 г. академик А. И. Опарин выдвинул гипотезу о механизме зарождения жизни. В 1953 г. Стэнли Миллер (1930–2007 гг.) и Гарольд Юри (1893–1981 гг.) провели экспериментальную проверку этой гипотезы и подтвердили ее.

Миллер создал прибор, с помощью которого можно было в миниатюре воспроизвести условия, существовавшие на древней Земле. “Атмосферой” в этой модели служила смесь газообразного водорода, аммиака и метана, поскольку по существовавшим тогда представлениям первичная атмосфера состояла именно из этих газов.

В камеру с “атмосферой” были вмонтированы электроды для получения электрических разрядов, имитировавших молнии — возможный источник энергии для химических реакций на древней Земле.

Потребовалась всего неделя экспериментов, чтобы в камере было обнаружено много различных органических соединений. Особо важно, что в этой смеси присутствовали такие соединения, как аминокислоты.

Ведь аминокислоты — это строительные блоки белков, а ученые уже осознали, какую важную роль играют белки в различных видах активности живых клеток. При отсутствии кислорода во всех этих опытах удавалось получить широкий набор различных органических продуктов.

Эти соединения образуются в настоящее время в тех случаях, когда газообразные продукты извержения вулканов и лава вступают в реакцию с водой. Кроме того, различные органические соединения обнаруживаются также в метеоритах и в атмосфере других планет. Все это подтверждает, что органические вещества могли образоваться на древней Земле без участия живых организмов.

Следующим шагом было образование более крупных полимеров из малых органических мономеров. Для образования полимеров требовалась энергия. Требовалось также, чтобы воды при этом было не слишком много, потому что вода служит исходным соединением для гораздо более быстрой обратной реакции — расщепления полимеров на мономеры. Чтобы сохранять стабильность, смесь коротко цепочечных полимеров должна содержать как можно меньше воды.

При нагревании сухой смеси аминокислот таким образом — с помощью тепловой энергии — были получены цепи из аминокислот, которые были названы протеиноидами (т. е. белковоподобными веществами).

Некоторые протеиноиды способны, подобно ферментам, катализировать определенные химические реакции; возможно, именно эта способность была главной чертой, определившей их последующую эволюцию вплоть до возникновения настоящих ферментов.

Другие исследователи также получали полимеры посредством реакций, в которых катализаторами служили глины.

Образование агрегатов

Короткоцепочечные полимеры в высшей степени нестабильны и при добавлении воды обычно снова распадаются на мономеры. Более длинные цепи, однако, стремятся свертываться и стабилизируются благодаря притяжению между отдельными частями молекулы.

Дождь или прилив, уносившие такие длинноцепочечные полимеры в море, уже, вероятно, не могли разрушить их.

Действительно, если смешать в воде различные виды полимеров, то они могут объединиться и образовать более крупные структуры. Какими свойствами должен был обладать подобный агрегат, чтобы мог превратиться в клетку?

Мы знаем три главных свойства всех современных клеток, и ясно, что предшественники настоящих клеток должны были обладать хотя бы зачатками этих свойств.

Агрегаты действительно обнаруживают какие-то следы всех упомянутых признаков. В силу своих особых химических свойств присутствующие в смеси липиды образуют на поверхности агрегатов оболочки.

Агрегаты избирательно поглощают вещества из окружающей воды, так что многие малые молекулы накапливаются в них в весьма значительной концентрации. Некоторые агрегаты легко поглощают полимеры, состоящие из нуклеотидов (предшественников нуклеиновых кислот, которые являются носителями генетической информации в современных клетках).

Кроме того, агрегаты проявляют способность катализировать различные химические реакции, в том числе и объединение малых молекул в полимеры. Свои внутренние полимеры они стабилизируют, снижая их склонность к распаду на мономерные звенья.

Возникновение метаболизма

В живых клетках осуществляется ряд сложных химических превращений, слагающихся из многих этапов. Совокупность всех химических реакций в живой клетке объединяют понятием “метаболизм”; сюда входят дыхание, высвобождающее энергию из питательных веществ; использование энергии для движения, для синтеза полимеров и для накопления веществ, поступающих в клетку из среды; превращение одних веществ в другие, после чего они используются, запасаются или выводятся из клетки.

Присутствие в агрегате молекул, катализирующих реакции, которые делали его более стабильным, обеспечивало ему более длительное существование.

Исходные вещества для таких реакций в первое время были, вероятно, в изобилии, поскольку агрегатов, которые в них нуждались, было еще мало.

Однако такие удачные, стабильные агрегаты росли и распадались на фрагменты; к ним добавлялись новые спонтанно возникшие агрегаты, и в конце концов необходимое сырье, очевидно, расходовалось быстрее, чем оно образовывалось под влиянием грозовых разрядов, в теплых лужах, остающихся после отлива, или в результате деятельности вулканов.

В этих условиях должен был начаться отбор, благоприятствующий системам, способным более эффективно конкурировать за сырье, которого уже не хватало, или же системам, способным превращать в сырье какие-нибудь другие вещества, в которых недостатка не ощущалось.

В конечном итоге конкуренция между системами, способными использовать эти другие вещества, должна была истощить и их запасы.

Теперь преимущество получили уже системы, способные превращать какие-то третьи вещества во вторые, а вторые — в первые. При каждом повторении всей этой последовательности событий метаболические пути становились длиннее.

Преимуществом при отборе должны были пользоваться те системы, у которых катализаторы, осуществлявшие различные реакции, действовали быстрее всего: эти системы могли быстрее других накапливать необходимое им сырье, расти и размножаться.

Попробуем теперь представить себе, как в процессе эволюции могли образоваться такие метаболические системы, обеспечивающие клетки энергией. Биологам уже давно известно, что энергию для химических реакций в живых клетках поставляет аденозинтрифосфат.

Вначале было высказано предположение, что первые агрегаты получали энергию, поглощая АТФ из окружающего “бульона”, в котором он синтезировался из неорганических соединений.

Позже, однако, выяснилось, что все клетки обладают способностью запасать энергию, перекачивая ионы водорода Н+ с одной стороны мембраны на другую. Эта энергия может затем непосредственно расходоваться на перенос веществ через мембрану или использоваться для ресинтеза АТФ.

Возможно, что у первых агрегатов или у примитивных клеток были такие “насосы”, приводимые в движение энергией солнечного света; известно, что этот источник энергии используют и в настоящее время некоторые виды бактерий для своих простых “насосов”ионов Н +.

Эти “насосы”, вероятно, поставляли гораздо больше энергии и создавали также возможность для многократного использования одного и того же АТФ. В процессе эволюции таких “насосов” могли возникнуть более длинные и более сложные цепи переноса электронов, подобные тем, какие мы обнаруживаем теперь, исследуя фотосинтез и дыхание.

Возникновение размножения

Хотя образовавшиеся путем самосборки агрегаты и имеют что-то общее с нынешними клетками, их все же нельзя считать “живыми”, поскольку они не обладали генетической информацией, которая позволяла бы им точно воспроизводить самих себя.

У современных организмов большая часть генетической информации закодирована в последовательности нуклеотидных мономеров ДНК.

ДНК содержит “инструкции” по изготовлению точных своих копий; поэтому при клеточном делении две дочерние клетки получают совершенно идентичную генетическую информацию. Кроме того, ДНК направляет образование молекул РНК, а РНК в свою очередь определяет, в какой последовательности объединятся разные аминокислоты при образовании тех или иных белков.

В белковом синтезе участвуют различные молекулы, и все они, для того чтобы реакции могли идти, должны быть очень точно “подогнаны” друг к другу. Сейчас представляется вероятным, что первым носителем генетической информации была РНК, а не ДНК, которая выполняет эту роль почти у всех ныне живущих организмов.

Недавние эксперименты приводят к выводу, что генетическая информация возникла в форме РНК-полимеров, способных удваиваться. Можно представить себе, что эти РНК-полимеры со временем приобрели способность направлять сборку белков, а белки в свою очередь стали катализировать синтез новых копий РНК с большей скоростью.

Между этими двумя классами веществ постепенно возникло “разделение труда”. Белки стали непосредственно осуществлять сборку новых молекул РНК и новых белков, а РНК — обеспечивать этот процесс необходимой информацией.

ДНК стабильнее РНК и может копироваться с большей точностью. Вследствие этого РНК перешла на роль “посредника”, и теперь она переносит “инструкции” от ДНК к белку.

В процессе эволюции преимуществом должны были обладать агрегаты молекул, в которых взаимосвязи между протеиноидами и нуклеиновыми кислотами становились более четкими, потому что удачные комбинации могли давать удачное потомство и, следовательно, становились более многочисленными.

В конечном итоге сформировалась существующая ныне система, со специфической функцией у каждого вида молекул и с точным распознаванием молекул, которые должны взаимодействовать, чтобы воспроизводить ДНК и синтезировать белки в соответствии с генетическими “инструкциями”.

Дальнейшее развитие жизни

С появлением надежного механизма воспроизведения генетической информации процесс возникновения жизни завершился. Эра химической эволюции закончилась и наступила эра естественного отбора. Теперь уже недостаточно было просто выжить: отбор среди клеток велся по способности получать энергию более эффективным путем и обращать ее на создание потомства.

В течение долгого времени все организмы были гетеротрофами, так как пищей им служили органические молекулы из окружающего “бульона”.

Важным событием в эволюции жизни было развитие автотрофности, т. е. способности организмов синтезировать питательные вещества из неорганических соединений. После появления автотрофов живой мир перестал зависеть от органических веществ, которые медленно образовывались в среде; теперь Земля могла прокормить во много раз больше живых существ.

Есть бактерии, живущие за счет хемосинтеза, т. е. добывающие энергию путем окисления различных неорганических соединений и использующие ее для фиксации углекислого газа в форме органических веществ в отсутствие света.

Имеются также бактерии с неодинаково выраженной способностью улавливать световую энергию. Фотосинтезирующие бактерии для получения водородных атомов, которые требуются им при построении органических веществ, разлагают не воду, а некоторые другие соединения и не образуют такого побочного продукта, как кислород.

Изучая эти бактерии, мы можем составить себе представление о тех этапах, через которые могла идти эволюция фотосинтетического пути, имеющегося у современных высших растений.

Большая часть кислорода в нашей атмосфере представляет собой продукт фотосинтеза. Появление кислорода в атмосфере привело к серьезному кризису, коренным образом изменившему условия среды. Это разрушительное действие кислорода породило, вероятно, давление отбора, которое и обусловило следующий важный шаг в эволюции живого — возникновение дыхания.

Подобно всем прочим метаболическим процессам, дыхание, конечно, эволюционировало постепенно. Эту эволюцию можно проследить, изучая метаболизм современных бактерий.

С течением времени в процесс дыхания включались все новые и новые этапы. Это давало клеткам возможность лучше регулировать извлечение энергии из продуктов гликолиза (образования глюкозы) и обеспечило больший выход энергии.

Способность синтезировать при дыхании большое количество АТФ в расчете на одну расщепленную молекулу глюкозы позволяла организмам расти и размножаться быстрее, а также обзаводиться новыми ферментами и новыми структурами.