Химико-биологическая теория
Сама теория корнями уходит в теорию самозарождения жизни - живые организмы появляются из неживого вещества, но главное здесь - особые условия, существовавшие на ранней Земле. Эксперимент Пастера убедительно доказал невозможность самозарождения жизни в современных условиях, но на молодой Земле условия сильно отличались от современных. Наличие в атмосфере метана и углекислого газа, аммиака и циановодорода при электрических разрядах, возможно, меняли ситуацию в смысле вероятности появления первичных организмов.
Гипотеза превращения неживого материала в живой путем сложных химико- биологических реакций связана с именами двух авторов - русского биохимика Александра Ивановича Опарина и английского биолога Джона Бердона Сандерсона Холдейна.
Опарин Александр Иванович (1894 - 1980 г.г) профессор, доктор биологических наук в 1924 году на собрании Русского ботанического общества выступил с докладом " О возникновении жизни", в котором предложил гипотезу о происхождении жизни из первичного раствора неорганических веществ.
Принцип Реди ( живое только из живого) справедлив лишь для современной эпохи существования нашей планеты.
В середине XX века внимание к проблеме самозарождения жизни было вновь привлечено советским биохимиком А.И.Опариным и английским биохимиком, генетиком, физиологом и биометристом Джоном Бердоном Сандерсоном Холдейном (1892 - 1964 г.г).
В начале своего существования, когда ранняя Земля была безжизненной, на ней происходили абиотические синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция. Опарин предполагает, что зарождение жизни на Земле - длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой. Происходило это в ходе химической эволюции, в результате которой простейшие органические вещества образовались из неорганических под влиянием физико- химических катализаторов. То есть первоначальная химическая эволюция перешла затем в биохимическую. Опарин выделяет три этапа перехода от неживой материи к живой.
Химическая эволюция
Около 4 млрд лет назад, когда жизнь на Земле отсутствовала, на ней происходил абиотический синтез углеродистых соединений. Для этого периода Земли характерны многочисленные вулканические извержения с обильным излиянием лавы. Ранняя атмосфера содержала метан, углекислый газ, аммиак и циановодород. По мере остывания планеты водяные пары, находящиеся в атмосфере, конденсировались и обрушивались на землю ливнями, образуя первичный океан. В его водах растворялись различные неорганические соли. В океан попадали и различные неорганические соединения, образующиеся в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения, высокой температуры и активной вулканической деятельности. Концентрация их увеличивалась и, в конечном итоге, океаны накопили достаточное количество белкоподобных веществ - пептидов. Биологи говорят о "первичном бульоне" океана.
Появление белковых веществ.
По мере смягчения условий на Земле, под действием на химические смеси первичного океана электрических разрядов, тепловой и ультрафиолетовой энергии, стало возможным образование сложных органических соединений - биополимеров и нуклеотидов, которые, объединяясь и усложняясь, превращались в протобионтов - доклеточных предков живых организмов. Итогом этого периода стало появление коацерватов. Это комплексы коллоидных частиц. Они способны поглощать различные растворы из первичного океана. В результате их строение меняется в сторону увеличения устойчивости в изменяющихся условиях. Теория рассматривает коацерваты как предбиологические образования, состоящие из групп молекул, окруженных водной оболочкой. Коацерваты поглощают вещества из окружающей среды, взаимодействуют друг с другом, увеличиваясь в размерах. Однако, они неспособны к самовоспроизводству и саморегулированию. Поэтому их нельзя отнести к биологическим системам.
Появление живой клетки.
Предполагают, что в этот период начал действовать естественный отбор. В массе коацерватов происходило сохранение наиболее устойчивых к данным условиям среды. Процесс был длительным и шел миллионы лет. Сохранившиеся капли уже обладали способностью к метаболизму - главному свойству жизни. Вместе с тем, достигнув определенных размеров, материнская капля распадалась на дочерние, сохраняя особенности материнской структуры. Собственно, в этот период коацерваты превратились в простейшие живые организмы. Внутренняя среда капель нуждалась в защите от окружающей среды . Поэтому вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, ограждая их от вод первичного океана. Позднее из них образовалась наружная мембрана, что повысило жизнеспособность организмов. Возникновение мембраны направило дальнейшую эволюцию по пути усиления автономности структуры образования. По сути появилась протоклетка, основа живого в биологическом понимании. В ее структуре было все для стабильного существования в окружающей среде и воспроизводства себе подобных. После возникновения такого образования можно было говорить о начале биологической эволюции.
Согласно взглядам Холдейна, первичной была не коацерватная система, способная к обмену веществ с окружающей средой, а макромолекулярная система, способная к воспроизводству. Свои взгляды он изложил в 1929 году. В общем смысле, Опарин отдавал пальму первенства белкаи, а Холдэйн - нуклеиновым кислотам.
Возможность абиогенного синтеза биополимеров была доказаны экспериментально в середине XX века.
В 1953 году американский химик Стэнли Ллойд Миллер (1930 - 2007 г.г.) и лауреат Нобелевской премии по химии 1934 года, американский физхимик Гарольд Клейтон Юри (1893 - 1981 г.г.) смоделировали первичную атмосферу Земли и синтезировали уксусную и муравьиную кислоты, мочевину, аминокислоты путем пропускания электрических разрядов через смесь инертных газов.
К теории Опарина - Холдэйна есть много вопросов.
Она не объясняет сам момент скачка от сложных органических соединений к живым организмам. Попытки объяснения этой неопределенности существуют, но до фактической ясности далеко.
Из-за жестких условий на поверхности ранней Земли и близости Луны, жизнь не могла возникнуть в прибрежной зоне или поверхностном слое океана - большие приливные волны, жесткое ультрафиолетовое излучение по причине отсутствия озонового слоя. Следовательно, протобионты могли появиться только на дне, в тонких пленках органического вещества, адсорбированного поверхностями кристаллов пирита и апатитов, видимо, вблизи геотермальных источников.
Сегодня принято считать, что протобионты представляли собой молекулы РНК, а не ДНК. Потому, что доказано, что эволюция шла от РНК к белку, а затем к ДНК. Но неясно откуда, собственно, появились молекулы РНК, поскольку ясно, что точно уж не в результате плавной эволюции. Здесь имел место какой-то скачок, механизм которого неизвестен.
Сразу должны были появиться многие первичные биоценозы. Они должны были быть гетеротрофами, не иметь ядра, быть анаэробами. Прослеживается единый образец?
В силу особых свойств углерода, жизнь на Земле появилась именно на этой основе. Однако нет никаких противоречий для вероятности возникновения ее не только на этой основе.
Некоторые перспективные направления изучения происхождения жизни.
В нынешнем веке исследователи проявляют повышенный интерес к жизненным формам, обнаруженным в областях, совершенно непригодным для этого, по меркам традиционной биологии.
Восточное озеро в Антарктиде. Его называют реликтовым и находится оно под четырехкилометровым слоем льда. Возможно, там существуют реликтовые организмы.
На территории Румынии в пещере, не имеющей доступа света, обнаружены живущие там слепые организмы, которые питаются микроорганизмами. Эти, в свою очередь, используют неорганические соединения, содержащие сероводород, поступающие со дна пещеры. В пещере нет света, но там есть вода.
Особый интерес вызывают микроорганизмы, обнаруженные американскими учеными при исследовании одного из соленых озер. Они исключительно устойчивы к среде обитания и могут жить даже на чисто мышьяковой среде.
Привлекают внимание и организмы, живущие в "черных курильщиках". Это действующие на дне океанов гидротермальные источники, располагающиеся вдоль осевых частей срединно-океанических хребтов. Из них в океан под высоким давлением в 250 атмосфер поступает высокоминерализированная горячая(350 градусов Цельсия) вода. Это среда обитания биологических сообществ, получающих энергию из разложения соединений гидротермальных флюидов. В океанической коре, видимо, находятся самые глубинные части биосферы, достигающие глубины 2500 метров.
Изучение данных объектов должно привести нас к более глубокому пониманию проблемы происхождения жизни на нашей планете и образованию ее биосферы.
Следует признать, что к настоящему времени экспериментально получить жизнь не удается. Вместе с тем, абиогенезная концепция не исключает возможности существования жизни в космосе и ее космического происхождения на Земле.
Литература:
Марков А.В." Рождение сложности", CORPUS, "Астрель", 2010;
Пичугина Т. "Великая тайна жизни", журнал "Вокруг света", N 3, 2005;
Спирин А.С."Биосинтез белков, мир РНК и происхождение жизни", статья
Чернавский Д.С. "Успехи физических наук", N2, 2000