Концепции происхождения жизни

 

Проблема возникновения жизни всегда была в центре внимания исследователей. В течение последних 50 лет непрерывно росло число экспериментов, моделей и теорий этого уникального земного явления. Происхождение жизни – одна из основных загадок природы, без ее разрешения остается недоступной пониманию и сама сущность жизни.

Жизнь, как одно из сложнейших явлений природы, не может быть разрешена в рамках какой-либо одной отдельно взятой естественно-научной дисциплины. Биологическая система – образование сложное, и поэтому для ее изучения нужен системный подход. При этом особую роль играют эмерджентные свойства, возникающие в результате взаимодействия элементов системы. Изучение проблемы происхождения жизни предполагает объединение усилий многих ученых: физиков, химиков, биологов, кибернетиков и других научных направлений. Следует особо отметить, что перед исследователями возникают трудности принципиального характера, связанные с проблемой верификации идей, гипотез и теоретических положений. Дело в том, что невозможно воспроизвести в лабораториях условия возникновения жизни с такой же точностью, как это было на первобытной Земле несколько миллионов лет назад. Вопрос о происхождении жизни интересен не только сам по себе, но и своей связью с проблемами отличия живого от неживого, а также связью с проблемой развития жизни.

Отличие живого от неживого. Есть несколько фундаментальных отличий живого от неживого в вещественном, структурном и функциональном плане. В вещественном плане в состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объект неживой природы. Однако соотношение элементов в живом и неживом неодинаково. В живых организмах 98 % его субстрата приходится на четыре биогенных элемента: углерод (С), кислород (О), азот (N) и водород (Н). В состав живого обязательно входят высокоупорядоченные органические соединения, называемые биополимерами, – белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК).

В структурном плане живое отличается от неживого клеточным строением. В функциональном плане для живых тел характерно воспроизводство самих себя. Любой вид состоит из особей, каждая из которых со временем умирает, но благодаря самовос-произведению жизнь вида не прекращается. В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур, которое обусловлено информацией, заложенной в нуклеиновой кислоте ДНК.

Важным признаком живого является обмен веществом и энергией с окружающей средой. Живые организмы пронизываются потоком вещества, энергии и информации, поэтому они являются открытыми системами. Основу обмена веществ составляют взаимосвязанные процессы ассимиляции (синтеза веществ в организме) и диссимиляции, в результате которых сложные вещества и соединения распадаются на простые, а выделяющаяся при этом энергия расходуется на осуществление биосинтеза.

 Обмен веществ обеспечивает относительное постоянство химического состава и функций всех частей организма. Живые тела отличаются от неживых способностью к росту и развитию, раздражимостью, изменчивостью и приспособленностью к окружающей среде. Неотъемлемым свойством живого является деятельность и активность. Как утверждал английский биолог Г. Салье «Все живые существа должны или действовать, или погибнуть». Живой организм сохраняет себя, извлекая из пищи не столько энергию, сколько информацию (негэнтропию). Если неживые системы функционируют вблизи равновесия, то живые – вдали от равновесия за счет потока внешней энергии. Живые системы обладают ярко выраженным дуализмом: естественный отбор – это детерминизм (необходимость и определенность), а мутации – случайность, вероятность.

Неживой мир удивительно симметричен (закон сохранения импульса, энергии, момента импульса и электрического заряда являются следствием симметрии пространства и времени). Редко нарушение симметрии в квантовой физике элементарных частиц является проявлением более глубокой симметрии. Жизнь – есть спонтанное нарушение симметрии. В живых клетках функционально и структурно значимые биополимеры асимметричны: белки состоят из левовращающих аминокислот (L-форма), а нуклеиновые кислоты содержат в своем составе, помимо гетероциклических оснований, правовращающие сахара (D-форма) и, кроме того, сама ДНК является правой двойной спиралью.

К настоящему времени было предложено несколько теорий происхождения жизни, наиболее значимыми из которых являются пять концепций: 1) креационизм; 2) концепция самозарождения жизни; 3) концепция стационарного состояния; 4) концепция панспер-мии; 5) концепция абиогенного возникновения жизни в результате биохимической эволюции.

Креационизм (от лат. с reatura – создание, творение). Согласно концепции креаци-онизма жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом. Ее придерживаются последователи всех наиболее распространенных религий, и к есте-ствознанию она прямого отношения не имеет. Процесс божественного сотворения
мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения. Этого достаточно, чтобы вынести всю концепцию креационизма за рамки научного анализа. Наука занимается только теми явлениями природы, которые можно верифицировать, а поэтому она никогда не будет в состоянии ни доказать, ни отвергнуть эту концепцию.

Теория самозарождения. Сторонники теории самозарождения (витализма) утверждали, что возможно самозарождение живых организмов. Эта концепция была широко распространена в Древнем Китае, Египте и Вавилоне в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала.

Одним из активных сторонников идеи самозарождения был Аристотель. Он писал, что из простого ила могут возникнуть не только простые животные – губки, анемоны, но и черви, моллюски, рыбы и др. Даже организмы, которые рождаются из яиц, тоже могут иногда появляться самопроизвольно. Растения же рождаются при гниении почвы или из разлагающихся частей других растений. Согласно гипотезе Аристотеля о спонтанном зарождении, определенные частицы вещества содержат некое активное начало, которое при подходящих условиях может создать живой организм.

С распространением христианства идеи самозарождения были объявлены еретичес-кими и долгое время о них не вспоминали. Однако идеи витализма оказались довольно живучими, они регулярно отвергались и возрождались вплоть до середины XIX в. Наибо-лее известными приверженцами этого учения в разные годы были Ван Гельмонт, Шталь, Мюллер, Пуше и другие. Идеи самозарождения жизни поддерживали такие крупные ученые, как Галилей, Декарт, Бюффон, Гегель, Ламарк. Алхимик Гельмонт (XVII в.) пред-лагал простой рецепт получения мышей: «Положи в горшок зерна, заткни его грязной рубашкой и жди. Через двадцать один день из испарений зерна и грязной рубашки заро-дятся мыши». Активным началом в процессе зарождения мыши он считал человеческий пот. Парацельс написал рецепт, с помощью которого можно было изготовить маленького человечка – гомункулуса. Зарождение происходит с помощью жизненной силы, которая заселяет питательные вещества. В 1688 г. итальянский биолог Франческо Реди серией опытов опроверг мнение виталистов, что насекомые и внутренние паразиты самоза-рождаются из всякой гнили. Среди этих экспериментов был и такой. Желая проверить, откуда берутся мухи, Реди клал мясо в кувшин, а кувшин покрывал кисеей. Другой кувшин он оставлял открытым. В третьем кувшине тоже было мясо, но кувшин Реди закрывал пергаментом. В конечном итоге получилось следующее: в открытом сосуде вывелись личинки мух. На кисее, прикрывавший второй кувшин, – сквозь нее мухи чувствовали запах мяса, – тоже было множество отложенных яичек. Ни личинок, ни яичек не было в третьем кувшине: пергамент не запускал запах гниющего мяса. На основании своих опытов Реди сформулировал свой принцип: все живое – из живого.

Вновь интерес к проблеме самозарождения жизни возник в связи с изобретением

А. Левенгуком микроскопа. К этому времени сомнений в том, что насекомые и земноводные зарождаются только от себе подобных, уже не было. Но вот откуда берутся микроорганизмы, которые наблюдаются под микроскопом? Чем, как не самозарождением, следует объяснить их появление?

Именно так поставил вопрос в 1745 г. английский священник Джон Нидхэм. Нидхэм свои рассуждения подкрепил опытом. Он сварил мясной бульон, перелил его в бутылку, закупорил и поставил в горячую золу. Потом он дал остыть бульону. Когда через какое-то время Нидхэм откупорил бутылку, то бульон вскоре начал мутнеть. Рассмотрев каплю бульона под микроскопом, Нидхэм обнаружил: множество инфузорий! Значит, живые существа самозарождаются в мясном бульоне. Итальянский аббат Ладзаро Спалланцани придерживался других концепций в вопросе самозарождения. В 1765 г. он проверил опыты Нидхэма и в тех колбах, в которых кипячение проводилось долго, никаких микроорганизмов не оказалось. На сообщение Спалланцани Нидхэм ответил: «Длительным кипячением Вы убили производящую силу». Тогда он повторил опыты, только на этот раз он не стал запаивать колбы, а просто заткнул пористой пробкой – так как это делал в своих опытах Нидхэм. Как и следовало ожидать, в колбах оказалось достаточное количество микробов. Не в животворной силе дело, рассудил Спалланцани. Сквозь пробку проходил воздух, а вместе с ним и зародыши микроорганизмов. Если отвары достаточно хорошо и долго прокипячены и если перекрыть доступ воздуха, то не будет в них никаких микроорганизмов.
Однако Нидхэм не сдавался, он выдвигал все новые и новые доводы, доказывающие уничтожение живой силы. Спор продолжался.

Новый виток обсуждения проблемы самозарождения связан с выступлением в ноябре 1858 г. член-корреспондента Парижской академии наук Ф.А. Пуше со статьей «Заметка
о простейших растительного и животного происхождения, самопроизвольно зарождаю-щихся в изолированном воздухе и кислороде». Годом позже, в октябре 1859 года, Пуше опубликовал монографию «Гетерогения, или Трактат о самозарождении». Он написал письмо одному молодому ученому с просьбой высказать свое мнение о теории спон-танного самозарождения. Этим ученым был Луи Пастер. Отвечая на письмо, Пастер напишет: «Я считаю, что Вы неправы не в том, что верите в самопроизвольное зарождение (в вопросе такого рода трудно не иметь предвзятого мнения), но в том, что подтверждаете возможность самопроизвольного зарождения… В экспериментальной науке всегда не прав тот, кто перестает сомневаться в то время, когда факты еще не вынуждают его отказаться от своих сомнений. По-моему мнению, эта проблема все еще остается девственной, ввиду отсутствия необходимых доказательств».

Свои исходные позиции Пуше изложил в своей книге «Гетерогения». Вот они: «Что касается нас, то мы сражаемся под знаменем, на которое еще во времена античности были нанесены имена Анаксагора, Левкиппа, Демокрита, Эпикура, Аристотеля, Плиния, Лукреция, Диодора Сицилийского, а со времен Ренессанса и до наших дней к ним присоединились Кирхер, Бюффон, Нидхэм, Пристли, Лавуазье, Ламарк». И как бы смягчая свою категорическую позицию в вопросах самозарождения, он осторожно добавляет: «Следует оговориться, что под спонтанной генерацией – самозарождением мы понимаем вовсе не то, что вот так вдруг появляется то или иное насекомое или же какое-нибудь животное. Наше предположение сводится к тому, что под воздействием каких-то еще необъясненных сил... происходит, возможно, в самих животных, а возможно, и вне их, некий процесс, который ведет к соответствующей группировке молекул, навязывает им особую форму жизнеспособности (жизненной силы), следствием которой в конечном итоге и является новое существо, которое вступает во взаимодействие с той средой, из которой первоначально были извлечены все элементы». Пуше заявляет, что для того, чтобы произошло самозарождение, необходимы три главных элемента: какое-либо тело, подверженное гниению, вода и воздух. Внешними факторами, оказывающими свое воздействие выступают: теплота, электричество, свет. Он не ограничивается одними только теоретическими построениями, а приводит в своих работах и экспериментальные данные. Противники витализма, пишет он, считают, что зародыши маленьких живых существ, которых мы наблюдаем под микроскопом, проникают в сосуды из воздуха. И он проводит опыт, исключающий проникновение воздуха в сосуды. Бутылку с кипящей водой он закупоривает плотной пробкой. Затем опрокидывает ее горлышком в сосуд с ртутью и под ртутью вынимает пробку. Далее Пуше берет немного сена, нагревает его до ста градусов и затем просовывает в бутылку – все это он делает под ртутью. А затем опять-таки сквозь ртуть пропускает в бутылку чистый кислород. Итак, воздух удален. Он заменен чистым стерильным кислородом. В бутылке – прокаленное сено. Кажется, выдержаны все условия чистоты эксперимента. И тем не менее факт остается фактом: уже через несколько дней в этой казалось бы совершенно стерильной бутылке появляются микробы. Казалось, что лучшего доказательства теории самозарождения и придумать сложно.

В январе 1860 г. Парижская академия наук установила специальную премию тому, кто сумеет «путем точных опытов внести ясность в вопрос о самозарождении. За решение этого вопроса принимается молодой, но уже известный ученый Луи Пастер, будущий основатель микробиологии. Пастер знает: в вопросах науки ничего нельзя принимать на веру. В особенности, когда речь идет о вещах принципиальных. Первое, что сделал Пастер – это установил наиболее уязвимый пункт сторонников концепции самозарождения: они начисто отрицают влияние атмосферы.

Целый год ставит бесчисленное количество опытов Пастер. В результате он приходит к твердому убеждению: в воздухе и в окружающей среде содержится великое множество спор и зародышей микроорганизмов. Но откуда же при всей кажущейся стерильности в опытах, проведенных Пуше, взялись микроорганизмы. Да, бутылка с бульоном была стерильной, но нельзя назвать стерильной ртуть, поверхность которой контактирует с воз-духом. И Пастер проделывает еще несколько опытов, среди которых был и такой: он
наливал в сосуд бульон, соединял шейку сосуда с платиновой трубкой, накалял ее докрасна и кипятил жидкость. Пар выгонял воздух из сосуда. Затем, когда прекращал кипячение, воздух снова входил в сосуд. Но проходил он через раскаленную трубку – все зародыши гибли. После этого стеклянную шейку запаивали.

Жидкость в сосуде стояла месяцами чистая и прозрачная. В ней ничего не самозарождалось. Но стоило только отломить шейку и открыть доступ обычному воздуху, как появлялись микроорганизмы. Пуше выдвигает новое возражение. Воздух, проходя через раскаленную трубку, поступает в жидкость горячим и убивает в ней производящую силу. Тогда Пастер с помощниками изобретает колбу, которая до сих пор носит название колбы Пастера. У нее изогнутая «шея», и пыль должна была осесть в ее изгибах, не доходя до питательного бульона. В колбу наливают бульон, кипятят его, дают остыть. Воздух поступает в колбу холодным. Когда Пастер на следующий день стал разглядывать колбу, он не обнаружил никаких следов микроорганизмов. Пастер показал, что бактерии могут быть везде и заражать окружающую среду. Для избавления от них необходима стерилизация, получившая название пастеризация.

Вывод его однозначен. Спонтанной генерации – самозарождения бактерий и других живых существ – не существует. Брожение и гниение – результат деятельности микроорганизмов, находящихся в воздухе, в почве, в воде. Основополагающие открытия Пастера легли в основу новой науки – микробиологии.

Концепция стационарного состояния. Согласно этой концепции жизнь на вечно существующей Земле существовала вечно. Некоторые виды вынуждены были вымереть или резко изменить численность в тех или иных местах планеты из-за изменения внешних условий. Из-за своей умозрительности и слабой теоретической базы эта концепция популярностью не пользовалась и всегда имела немного сторонников.

Концепция панспермии. Согласно этой гипотезе жизнь была занесена на землю из космоса либо в виде спор микроорганизмов, либо путем планомерного заселения планеты разумными пришельцами из других миров. Прямых свидетельств в пользу этой концепции нет. Да и сама она не предлагает никакого механизма для объяснения первичности возникновения жизни и переносит проблему в другое место Вселенной. Концепции панспермии придерживались такие выдающиеся ученые, как Г. Гельмгольц, У. Томсон (лорд Кельвин), С. Аррениус, В.И. Вернадский. Эту гипотезу поддерживали русские ученые С.П. Костычев, Л.С. Берг и П.П. Лазарев.

Все попытки обнаружить живые существа (или их ископаемые остатки) вне Земли и, прежде всего, в составе метеоритного вещества, так и не дали положительного результата. Неоднократно появлявшиеся сообщения о находках следов жизни на метеоритах осно-ваны или на ошибочной интерпретации некоторых бактериоподобных неорганических включений, или на загрязнении «небесных камней» земными микроорганизмами. Метеоритное вещество оказалось достаточно богатым органикой, однако вся она не обладает киральной чистотой. Это последнее обстоятельство является весьма сильным доводом против принципиальной возможности существования «межзвездной жизни». Таким образом, положение о повсеместной распространенности жизни во Вселенной не нашло подтверждения.

Концепция абиогенного возникновения жизни. Итак, Пастеру удалось доказать невозможность самопроизвольного зарождения бактерий, одноклеточных грибков, инфузорий и других простейших организмов. Все живые организмы развиваются из зародышей, то есть берут свое начало от других живых существ. Означает ли это, что он доказал
невозможность самозарождения вообще? По этому поводу еще в 1926 году Н. Худяков писал: «Пастеровские исследования доказали лишь, что ни один, даже самый низший организм, не происходит иначе, как от себя подобных. Но общего вопроса о происхождении жизни они не касались, и это большое недоразумение, когда утверждают, что Пастер доказал невозможность самопроизвольного зарождения жизни. Такого доказательства пастеровские исследования не дали, да и не могли дать».

Позиция самого Пастера по данному вопросу изложена в многочисленных выступлениях и публикациях.

1. Из выступления в Парижском химическом обществе 19 мая 1861 года: «… Я не считаю, будто я установил, что самопроизвольное зарождение никогда не происходит».

2. Из выступления в Парижской академии наук 13 августа 1866 года: «Невозможно доказать a priori (до и вне опыта), что не существует самопроизвольного зарождения…».

Спонтанное зарождение живых организмов в той обстановке, которая существует на Земле в настоящее время, в высшей степени маловероятно, однако вполне могло произойти в прошлом. Все дело в различии условий, существовавших тогда и сейчас. В развитии учений о происхождении жизни центральное место занимает теория, утверждающая, что живое возникло из неживого – теория абиогенеза. Итак, своего рода возврат к теории самозарождения? Наверное, да, если под самозарождением понимать первоначальное возникновение живых организмов из неживой материи и видеть в этом неотъемлемое закономерное звено общей цепи эволюции материи во Вселенной, где каждый последующий этап непосредственно связан с предыдущим и может быть познан лишь в свете изучения предыдущего этапа.

В настоящее время широкое признание получила гипотеза, сформулированная советским ученым А.И. Опариным в 1924 году. Он исходил из предположения, что при мощных энергетических потоках различной физической природы (электрические разряды, ультрафиолетовое излучение, высокая температура и т.п.), проходящих через газовые смеси первичной атмосферы Земли, могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. Из атмосферы они переходили в водную оболочку Земли – гидросферу, где продолжали делаться все сложнее и разнообразнее.

Таким образом, первобытная гидросфера Земли постепенно превратилась в водный раствор органических веществ, в «первичный питательный бульон» Земли. В «первичном бульоне» происходили процессы полимеризации. В концентрированных растворах белков, нуклеиновых кислот могут образовываться сгустки, подобные водным растворам желатина. А.И. Опарин назвал их коацерватными каплями, или коацерватами. Коацерваты – открытые системы, состоящие из различных высокополимерных соединений, в которых концентрация полимеров была выше, чем в окружающей среде. Коацерватные капли могли самопроизвольно расти, делиться и обмениваться веществом с окружающей их жидкостью через уплотненную поверхность раздела. Коацерваты могли даже размножаться путем деления больших капель на две или больше частей. Такие образования Опарин называет «пробионтами», т.е. предшественниками живых организмов.

Основное положение теории абиогенеза заключается в том, что живые организмы произошли из неживой природы (абиогенным путем), причем биологической эволюции предшествовал длительный период химической эволюции – период образования и усложнения молекул органических соединений. Это был естественный процесс, связанный с притоком энергии, который проходил в специфических условиях первичной атмосферы, отсутствующей сейчас на Земле.

В 1953 г. американский ученый С. Миллер воспроизвел в колбе примерный состав первичной атмосферы Земли, состоящий преимущественно из метана (СН₄), аммиака (NH₃), водорода (Н₂) и паров воды (Н₂О). При помощи электрических разрядов имитирующих грозы он синтезировал в колбе ряд органических соединений, совершенно таких же, как и у живых веществ. Тут и цианистоводородная, и уксусная, и муравьиная кислоты, метиловые образования и углекислота. И это было самое важное – аминокислоты: аланин, глицин, составные части белка.

Миллер многократно повторял свои опыты, видоизменяя и модифицируя условия протекания химических процессов. В частности, были проведены эксперименты на смесях разных газов и при разных источниках энергии (солнечный свет, ультрафиолетовое и радиоактивное излучение и просто тепло). Единственное, что он оставлял незыблемым, – это бескислородную восстановительную атмосферу первобытной Земли.

Органические вещества, включающие аминокислоты, нуклеиновые основания, а также сахара и фосфаты получались всегда. Полученные Миллером и Юри результаты стимулировали исследования возможных путей предбиологической эволюции среди ученых различных стран.

У американского ученого Оро в 1960 г. возникла идея смешать аммиак в присутствии воды с цианистоводородной кислотой. Он нагревал эту смесь в течение двадцати четырех часов при температуре 90 °С выше нуля – и получил аденин, одно из оснований, программирующих нуклеиновые кислоты.

Экспериментальный синтез белков был воспроизведен в лабораторных условиях американским ученым С. Фоксом в 1963 г. Им в результате синтеза и полимеризации были получены белкоподобные вещества (протеиноиды), которые не только расщеплялись ферментами, но и обладали каталитической активностью. В дальнейшем при абиогенном синтезе он получил и мононуклеотиды, нагрев которых дал целую цепочку коротких нуклеиновых кислот. Однако низкомолекулярные органические соединения еще не жизнь.

Биополимеры в живой природе являются продуктом последовательных реакций конденсации (дегидратации) между мономерами. Для создания любого биополимера необходимо затратить энергию. Современные живые организмы получают необходимую им энергию, благодаря каталитической активности ферментов, – особых белков, которые создаются по программам, закодированным в генах (ДНК). Таким образом, создание биополимеров требует наличия биополимеров. Возникает вопрос, что было раньше ДНК, кодирующий белок или белок, синтезирующий ДНК? Это напоминает переведенный на язык молекулярной биологии знаменитый вопрос о том, что было раньше, курица или яйцо. Этот вопрос современная молекулярная биология пока не решила, но установила, что главная функция современных биополимеров – циклическое самовоспроизведение.

В живых организмах биомакромолекулы функционируют в водной среде. Это является веским основанием полагать, что зарождение жизни происходило в первичном океане. Однако на пути теории, основанной на этой гипотезе, возникает ряд достаточно сложных проблем. Водная среда, существовавшая на первобытной Земле, была весьма неблагоприятна для реакции конденсации мономеров с образованием полимерных цепочек. Конденсации мономеров препятствовала обратная реакция – гидролиз, ведущий к распаду образующихся полимеров на исходные компоненты – олигомеры и мономеры. С термодинамической точки зрения, для образования полипептидов в водной среде необходимо увеличение свободной энергии  на 9–13 кДж/моль на каждую новую связь, тогда как при гидролизе этих связей свободная энергия уменьшается на 9–20 кДж/моль. Из этого следует, что гидролиз является спонтанным процессом, а полимеризация энергетически невыгодна и самопроизвольно протекать не может.

Перед абиогенной теорией возникновения жизни возникла первая реальная проблема, связанная с энергетическим обеспечением синтеза полимеров. Для решения этой проблемы ряд ученых предложили использовать разнообразные природные условия на ранней Земле. Действительно, на ней могли существовать как участки покрытые водой, так и безводные участки с высокой температурой. Отсутствие воды на поверхности суши исключало подавление процесса конденсации, поскольку образовавшаяся при этом вода быстро испарялась.

Так, Д. Бернал (1901–1971) предложил, что образование первых органических ве-ществ могло происходить не в гидросфере Земли, а в результате конденсаций газов на поверхности твердых частиц (железа и силикатной пыли). Г. Вехтершейзер рассматривал возникновение жизни как метаболический процесс – циклическую химическую реакцию, осуществляющуюся за счет притока энергии извне, на поверхности твердой фазы. В качестве базового материала у него выступает минерал пирит ().

Однако эти гипотезы не смогли решить вышеуказанную проблему энергетического метаболизма. Дело в том, что в условиях низкой влажности и высокой температуры происходит термическая деградация (пиролиз) биомакромолекул. Следует также учитывать, что в первичной атмосфере отсутствовал озон, защищающий поверхность Земли от ультрафиолетового излучения, разрушающего биополимеры на мономеры. Поскольку в реальных условиях процессы конденсации и гидролиза протекают параллельно, то скорость образования биополимеров должна быть больше скорости их распада. Из вышеизложенного следует, что потоки геофизической энергии в виде тепла, электрических разрядов и всевозможных излучений не могли быть непосредственным источником энергии полимеризации биологических молекул.

Ф. Липман и его ученик Р. Фокс особую роль в осуществлении биохимических реакций отводили соединениям фосфора и их значению как источника энергии. Согласно их гипотезе наиболее значимым событием на пути к возникновению жизни стало образование высокоэнергетических фосфатных связей за счет энергии геофизических окислительно-восстановительных реакций. Одним из потенциальных легкодоступных источников энергии являются окислительно-восстановительные процессы с участием железа. Окисленное железо в коре в составе различных молекул находилось в состоянии F (II) либо Fe (III)
в зависимости от условий. Другой источник – сера, она также находится в различных окисленных состояниях, в виде сульфата или сульфита, каждый из которых имеет
большую отрицательную свободную энергию. Для превращения этой окислительно-восстановительной энергии в более универсальную и пригодную для органического синтеза форму необходимо, чтобы она перешла в энергию фосфатных связей. На основе изучения превращения энергии в современных организмах предложены два механизма окислительного фосфолирования с использованием серы. Современные организмы для инициации полимеризации используют энергию фосфатных связей, запасенную в АТФ. Простейшим аккумулятором энергии может служить пирофосфат, представляющий собой соединение двух фосфатных групп.

Мономеры способны поглощать и аккумулировать энергию, высвобождаемую при разрыве фосфатных связей. Такие высокоэнергетические молекулы становились активированными. При гидролизе пирофосфата выделялась энергия более 28 кДж/моль, что вполне достаточно для димеризации двух аминокислот. При димеризации энергия активации мономера используется для образования пептидной связи между ним и другим мономером. Если стадии активации–димеризации протекают достаточно быстро, то димеризация доминирует над гидролизом и в смеси накапливаются дипептиды. Такие молекулы затем могут удлиняться за счет дальнейших присоединений активированных мономеров.

По экспериментальным данным Фокса и Дозе скорость гидролиза полимеров превалирует над процессами активации и полимеризации, если они ничем не стимулируются. Однако при синтезе из активированных мономеров образуются весьма интересные, с точки зрения биологии, макромолекулы, которые могут обладать так называемыми эмерджентными (возникающими) свойствами. Эти свойства нельзя предсказать, основываясь лишь на свойствах компонент системы. Одно из таких эмерджентных свойств – это способность макромолекул выступать в качестве биологических катализаторов. По данным Фокса умеренной каталитической активности, проявляемой этими молекулами, достаточно, чтобы скорость полимеризации превосходила в сотни раз скорость гидролиза. Несмотря на свою сложность, проблема полимеризации была решена экспериментальным путем Фоксом (1968). В опытах Фокса удалось получить белковоподобные полимеры, так называемые протеиноиды. При нагревании сухой смеси аминокислот происходит самопроизвольный синтез аминокислотных цепей. Некоторые протеиноиды способны были, подобно ферментам, катализировать определенные химические реакции. Возможно, что эта способность была главной чертой, определившей возникновение жизни и всю ее последующую эволюцию.

Длина протеноидных цепочек и их аминокислотная последовательность не являются случайными, а определяются составом исходной смеси аминокислот и условиями проведения реакции. Примечательно, что выход реакции увеличивается при добавлении фосфатов. Образование таких систем на ранней Земле происходило, по мнению Фокса, следующим образом: водные растворы аминокислот выплескивались на горячие вулканические породы и затем образовавшиеся протеиноиды смывались в воду. Этому способствовали следующие обстоятельства.

1. На ранней Земле имела место интенсивная вулканическая деятельность.

2. Луна 4 млрд лет назад находилась на гораздо более близкой к Земле орбите и под влиянием ее притяжения приливы и отливы океанов были значительно сильнее, чем сейчас.

Древние вулканы действительно могли катализировать процессы зарождения жизни, так как газы, извергаемые вулканами, содержат много сульфида карбонила (COS), с помощью которого склеивались первые на Земле первокирпичики жизни – органические молекулы. В опытах, поставленных учеными, молекулы аминокислот в присутствии сульфида карбонила соединялись друг с другом, образуя молекулы простейших белков. Скорость реакции конденсации была достаточно высокой и никаких особых условий для ее осуществления не потребовалось. Концепции, что первые реакции полимеризации произошли на поверхности, имеющей два измерения, а не в объеме с тремя измерениями, придерживался Вектерцхойзер. Он считал, что в объемной среде (в воздухе или в воде) составляющие полимеров движутся хаотично, время оседлости незначительно и все это не может способствовать образованию полимеров. Совсем другое дело на твердой поверхности, где они закрепляются и накапливаются в порах. Третье измерение завоевали уже организмы. Из изложенного следует, что исходные этапы теории абиогенеза – синтез биологических мономеров из неорганических соединений и образование биополимеров путем конденсации мономеров получили экспериментальное подтверждение.

Таким образом, первая реальная проблема на пути теории абиогенеза была решена.

То, что мономеры при надлежащих условиях начинали соединяться в полимерные цепи – это экспериментально установленный факт. Более того, некоторые из образовав-шихся полимеров обладали свойствами катализаторов, т.е. важнейшими свойствами современных биомакромолекул.

Возможный сценарий дальнейшей биохимической эволюции связан со случайным образованием цепочки с автокаталитической структурой. Тогда первая цепочка сразу начнет производить копии, каждая из которых тоже начнет производить следующие копии и т.д.

В результате размножение самовоспроизводящих полимеров будет идти в темпе цепной реакции вплоть до исчерпания мономеров в бульоне. Рассматриваемый сценарий можно усложнить, чтобы наши рассуждения приблизить к современным представлениям функционирования живой клетки. Допустим, что макромолекулы типа А (ДНК) катали-зирует синтез цепей типа В (белок), который, в свою очередь, катализирует синтез А. Не-мецкий биофизик М. Эйген назвал такую систему гиперциклом. Таких гиперциклов в активной среде может быть много. Если один вид (цепи или гиперциклы) обладает более эффективным катализом, то он тиражируется, естественно, быстрее и соответствующих цепей оказывается больше. При этом запас мономеров у всех видов общий и ограниченный. К тому же все цепи иногда спонтанно распадаются на мономеры, которые вовлекаются в достройку цепей наиболее эффективного вида. В итоге в системе практически остаются представители только одного вида.

Рассмотренное напоминает описание дарвиновской борьбы за существование. Мономеры – это пища, автокатализирующие полимерные цепи или гиперциклы – это размножающиеся при наличии пищи живые существа. Итогом конкуренции за пищевые ресурсы является выживание самых эффективных и быстро размножающихся. Эйген с сотрудниками осуществили математическое моделирование борьбы макромолекул за существование. Его теория позволяет проследить весь процесс конкурентной борьбы биомакромолекулы и выживание макромолекулы с наиболее эффективным катализом.

Успешный синтез биомакромолекул не решает проблему происхождения жизни. Любая сколь угодно сложная комбинация аминокислот или других сложных органических соединений – это еще не живой организм. Для функционирования организма нужна не любая молекула, а определенным образом упорядоченная и организованная в клетке. Но какова вероятность того, что чисто случайно, путем перебора отдельных мономеров могла образоваться современная белковая молекула?

Оценим, например, сколько может существовать белковых цепей типичной длины около 200 звеньев. Для белков m = 20, в нашем примере N = 200. Тогда число из различных полимеров, которые отличаются друг от друга последовательностью аминокислот, т.е. первичной структурой составляет .