|
Ознакомившись со свойствами
и сущностью живых организмов, можно перейти теперь к вопросу о возникновении
жизни на Земле. Однако к чему же сводится этот вопрос?
Уже отмечалось, что все живые существа обладают
совокупностью одних и тех же свойств. Сходство жизненных свойств у
организмов, находящихся на разных уровнях сложности строения, обусловлено
сходством их биологической организации.
Все организмы состоят из нескольких типов макромолекул:
1) нуклеиновых кислот (ДНК — хранение инфор мации о
структуре белков, РНК — перенос информации);
2) белков (катализаторы химических реакций или
структурные компоненты клеток);
3) Сахаров и полисахаридов (источники энергии и
структурные компоненты);
4) липидов (источники энергии и структурные
компоненты).
Еще важнее то, что почти у всех изученных форм живых
организмов сходны последовательности биохимических превращений: редупликация
и транскрипция нуклеиновых кислот, биосинтез белков, жирных кислот,
расщепление глюкозы и др.
Следовательно, вопрос о происхождении жизни на Земле
сводится к выяснению того, как возникла столь универсальная система
биохимических превращений и в каких реальных условиях было возможно появление
живой материи и осуществление начальных этапов ее развития.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
О ВОЗНИКНОВЕНИИ ЖИЗНИ
В настоящее время наиболее широкое признание получила
гипотеза о происхождении жизни на Земле, разработанная советским ученым акад.
А. И. Опариным. Эта гипотеза исходит из предположения о постепенном
возникновении жизни на Земле из неорганических веществ путем длительной
абиогенной (небиологической) молекулярной эволюции.
Считают, что Земля и другие планеты Солнечной системы
образовались из газово-пылевого облака около 4,5 млрд. лет назад. На первых
этапах своего формирования Земля имела очень высокую температуру. По мере
остывания планеты тяжелые элементы перемещались к ее центру, а более легкие
оставались на поверхности. Атмосфера состояла из свободного водорода и его
соединений (НгО, СН4,ЫНз, HCN) и поэтому носила восстановительный характер.
Это обстоятельство послужило важной предпосылкой
возникновения органических молекул небиологическим путем. Соединения,
являющиеся восстановителями, легко вступают в химические реакции, отдавая
водород, и при этом сами окисляются. Компоненты атмосферы подверглись
воздействию различных источников энергии: жесткому, близкому к
рентгеновскому, коротковолновому излучению Солнца, грозовым разрядам, высокой
температуре в области грозовых разрядов и в районах активной вулканической
деятельности и т. п.
В результате этих воздействий химически простые компоненты
атмосферы вступали во взаимодействие, изменяясь и усложняясь Возникали
молекулы Сахаров, аминокислот, азотистые основания, органические кислоты
(уксусная, муравьиная, молочная и др.) и другие простые органические
соединения.
Некоторые из этих реакций ученые смогли воспроизвести в
лабораторных условиях. В 1953 г. американский ученый Л. С. Миллер, пропуская
электический разряд через смесь Н2, Н2О, СН4 и NH3, получил смесь нескольких
аминокислот и органических кислот.
В дальнейшем оказалось, что абиогенным путем в отсутствие
кислорода могут быть синтезированы многие простые органические соединения,
входящие в состав биологических полимеров — белков, нуклеиновых кислот и
полисахаридов. Так, при пропускании электрического разряда через смесь СО,
N2, Нг образуется синильная кислота HCN. В водной среде при определенных
услови ях из синильной кислоты, аммиака и некоторых других соединений могут
возникать аминокислоты. Из азотистых оснований в присутствии неорганических фосфорных
соединений образуется аденозинмонофосфат (АМФ), а также аденозиндифосфат
(АДФ) и адено- зинтрифосфат (АТФ).
Возможность абиогенного синтеза органических соединений
доказывается тем, что они обнаружены в космическом пространстве. В космосе
найдены цианистый водород (HCN), формальдегид, муравьиная кислота, метиловый
и этиловый спирты и другие вещества. В некоторых метеоритах заключены жирные
кислоты, сахара, аминокислоты. Все это свидетельствует о том, что
органические соединения могли возникать чисто химическим путем в условиях,
существовавших на Земле около 4 млрд. лет назад.
Таким образом, условиями для абиогенного возникновения
органических соединений можно считать восстановительный характер атмосферы
Земли, высокую температуру, грозовые разряды и мощное ультрафиолетовое
излучение Солнца, которое тогда еще не задерживалось озоновым экраном.
По мере охлаждения Земли водяной пар, содержавшийся в
атмосфере, конденсировался, на поверхность Земли обрушивались дожди, образуя
на ней большие водные пространства. В воде были растворены аммиак, диоксид
углерода, синильная кислота, метан и более сложные органические соединения,
образовавшиеся в атмосфере.
Органические молекулы, такие, как аминокислоты или
нуклеотиды, в водной среде могут связываться друг с другом (конденсировать) с
образованием полимеров. При этом выделяется вода. Две аминокислоты могут
соединиться пептидной связью (см. с. 34), а два нуклеотида — фосфодиэфирной
связью (см. с. 39). Следует отметить, что для синтеза простых соединений
требуются более жесткие условия, чем для возникновения сложных. Например,
синтез аминокислот происходит при температуре около 1 ООО °С, а конденсация
их в полипептиды — при температуре 160 °С.
Реакции конденсации приводят к образованию линейных
полимеров — полипептидов и полинуклеоти- дов — различной длины и имеющих
случайную последовательность мономеров ( 2). Полинуклеотиды способны служить
матрицей и, таким образом, определять последовательность нуклеотидов в новых
полинуклеоти- дах. Матричные свойства основаны на специфическом, так
называемом комплементарном, связывании аденина (А) с урацилом (U) и гуанина
(G) с цитозином (С). Механизмы комплементарного матричного копирования в
последующем заняли центральное место в процессах
2. Нуклеотиды могут спонтанно полимеризоваться с
высвобождением воды. В результате получается смесь полинуклеоти- дов
случайной длины и случайной последовательности
переноса информации в биологических системах. Генетическая
информация каждой клетки закодирована в последовательности оснований ее
полинукле- отидов, и эта информация передается (наследуется) из поколения в
поколение с помощью комплементарного спаривания оснований.
Однако реакции эти в отсутствие белков-ферментов идут
очень медленно.
Среди случайно образующихся полипептидов были такие,
которые обладали каталитической активностью и могли ускорять процессы
матричного синтеза полинуклеотидов. Следовательно, следующим важным шагом
предбиологической эволюции было объединение способности полинуклеотидов к
самовоспроизведению со способностью полипептидов к каталитической активности.
Стабильность, устойчивость «удачных» комбинаций аминокислот — полипептидов —
обеспечивается только сохранением информации о них в нуклеиновых кислотах. В
свою очередь, полипептиды или белки, синтезируемые на основе информации,
заложенной в молекулах РНК, могут облегчать редупликацию этих молекул. Так
путем отбора возник генетический код, или «словарь», устанавливающий
соответствие между триплетами нуклеотидов и аминокислотами.
Дальнейшее усложнение обмена веществ могло происходить
только в условиях пространственной близости генетического кода и кодируемых
им белков, а также изоляции реагирующих компонентов от внешней среды.
Действительно, отбор молекул РНК по качеству кодируемого ею белка
осуществляется только в том случае, если белок не диффундирует в любом
направлении, а сохраняется в каком-либо изолированном пространстве, где и
участвует в обменных процессах.
Возможность отделения белоксинтезирующей системы от
внешней среды заложена в физико-химических свойствах молекул.
Отдельные ионы и молекулы в водном растворе всегда
окружены водной оболочкой. Например, при диссоциации NaCl ионы Na+ и С1~
окружены слоем молекул воды (вспомните, что молекулы воды полярны).
Органические молекулы также окружены водной оболочкой,
толщина которой зависит от величины заряда молекулы, концентрации солей в
растворе, температуры и проч. При определенных условиях водная оболочка
приобретает четкие границы и отделяется от окружающего раствора ( 3).
Молекулы, окруженные водной оболочкой, могут объединяться, образуя
многомолекулярные комплексы — коацерваты. В первичном океане коацерваты. или
коацерватные капли, обладали способностью поглощать различные вещества. В
результате этого внутренний состав коацервата претерпевал изменения, что вело
или к его распаду, или к накоплению веществ, т. е. к росту и к изменению
химического состава, повышающего устойчивость коа- церватной капли.
Судьба капли определялась преобладанием одного из
указанных процессов. Акад. А. И. Опарин отмечал, что в массе коацерватных
капель должен был идти отбор наиболее устойчивых в данных конкретных
условиях. Достигнув определенных размеров, материнская коацерватная капля
могла распадаться на дочерние ( 4). Дочерние коацерваты, структура которых
мало отличалась от материнской, продолжали свой рост, а резко отличавшиеся
капли распадались. Продолжали существовать только те коацерватные капли, которые,
вступая в какие-то элементарные формы обмена со средой, сохраняли
относительное постоянство своего состава. В дальнейшем они приобрели
способность поглощать из окружающей среды не всякие вещества, а лишь такие,
которые обеспечивали им устойчивость, а также способность выделять наружу
продукты обмена. Постепенно увеличивались различия между химическим составом
капли и окружающей средой. В процессе длительного отбора (его называют
химической эволюцией) сохранились лишь те капли, которые при распаде на
дочерние не утрачивали особенностей своей структуры, т. е. приобрели свойство
самовоспроизведения. Эволюция коацерватов завершилась образованием мембраны,
отделяющей их от окружающей среды и состоящей из фосфолипидов. Подобные
искусственные мембраны, окаймляющие пузырьки размером от 1 до 10 мкм, сейчас
без труда создаются в экспериментальных условиях. Образование наружной
мембраны предопределило направление дальнейшей химической эволюции по пути
развития все более совершенных саморегулирующихся систем вплоть до
возникновения первых примитивных клеток. Оказавшись в окруженном мембраной
замкнутом пространстве, молекулы РНК эволюционировали, причем
признаком, по которому происходил отбор, была не собственная структура РНК,
но главным образом свойства кодируемых ими белков.
Таким образом, нуклеотидная последовательность РНК стала
проявляться в свойствах клетки как целого.
Обратите внимание, что ключевым событием в возникновении
клетки послужило объединение матричной функции РНК и каталитической функции
пептидов. РНК и сейчас обеспечивает синтез белков в клетке (подробнее см. с.
42). На каком-' о более позднем этапе эволюции ДНК заменила РНК в качестве
вещества наследственности.
Появление первых клеточных организмов положило начало
биологической эволюции. Это произошло примерно 3—3,5 млрд. лет назад. Первые
живые организмы обладали способностью к самовоспроизведению и другими
основными признаками живого, существовали в восстановительной среде и имели
анаэробный тип обмена. По своему строению они напоминали современных
бактерий.
|
