Опубликовано в журнале СловоWord, номер 72, 2011
ИСТОРИЯ И НАУКА
Юлий Шенкер
Происхождение жизни на Земле
Чем больше росли познания человека, тем труднее становилось решать вопрос о происхождении жизни, о ее сущности. Эта трудность любопытна тем, что почти каждое человеческое существо недвусмысленно знает разницу между чем-то живым и чем-то неживым. Однако наши растущие познания говорят нам, что переход от жизни к смерти включает последовательный ряд прекращения многочисленных биологических процессов. Тем не менее нам становится все труднее, научно и юридически, определять время, когда кончается жизнь. То же самое можно сказать и о времени – когда оно начинается. Эти трудности отражают точку зрения современной науки, отрицающую наличие четкой границы между живым и неживым. Похоже, что должен быть постепенный переход, длительность от неживого к живому. В середине этой длительности находятся вирусы. Вне живой клетки вирусы являются сложными молекулами, не более «живыми», чем многие сложные молекулы, которые синтезируют химики. Но внутри живой клетки вирусы обнаруживают свойства, присущие живой материи. Чем больше мы изучаем биологию, тем меньшей становится нужда в упоминании некоей таинственной «жизненной силы» для объяснения как происхождения жизни, так и жизненных процессов. Сегодня большинство ученых считают жизнь внутренним свойством некоторых видов материи. Считают, что вследствие вполне объяснимых атомных и молекулярных свойств материя стремится к самоорганизации во все более сложные формы и что жизнь есть неизбежный результат этой самоорганизации. Современные дискуссии полностью основаны на научных свидетельствах, относящихся к феномену жизни. Многочисленные и конфликтующие религиозные концепции игнорируются, поскольку они находятся за пределами экспериментальных наук.
ОСОБЕННОСТИ ЖИЗНИ
Живые системы имеют очевидные особенности, наблюдаемые невооруженным глазом, которые отличают их от неживого. Среди них: ассимиляция и химическая переработка пищи как источник энергии; выделение наружу непригодной для организма части поглощаемого питания; рост и старение; репродукция себе подобного и т.п.
Имеются отдельные исключения, например, бесплодность мула. Дыхание и движение свойственны только многоклеточным организмам, более сложным формам жизни. К наиболее высоким проявлениям жизни относятся мышление, духовность, элементы поведения и т.п. Высшие формы живого обнаруживают комплекс особенностей, называемый ментальным поведением. Это вместе с репродуктивностью есть атрибуты живого, отсутствующие у любой машины. Но даже в этом случае пропасть между живым и неживым уменьшается современной передовой технологией. Допустим, что репродуктивность и мышление – уникальные свойства только живого. Но бактерия, насколько нам известно, не обладает мышлением. Остается только репродуктивность, которую бактерия с машинами не разделяет. Но репродуктивностью обладают и многие кристаллы, при наличии подходящей среды. Таким образом исчерпывающее определение «живого» и «неживого» не столь уж просто.
Репродуктивность живых систем имеет еще одну особенность: они могут мутировать, т.е. подвергаться изменениям своего генетического и наследственного материала под воздействием некоторых факторов окружающей среды, например, радиоактивности. Причем эти изменения передаются последующим поколениям и соответственно закрепляются. Эти изменения и лежат в основе Дарвиновской теории эволюции и теперь стали хорошо понятными в своих молекулярных основах. Следовательно, если к репродуктивности мы добавляем мутации и передачу этих мутаций к поколениям, мы в конечном счете получаем комплекс свойств, присущих только жизни. Если «это» репродуктивность с сохранением мутаций, «это» есть живое и обладает всеми вышеупомянутыми свойствами.
СЛОЖНОСТЬ И ОРГАНИЗАЦИЯ
Еще одна поразительная черта жизни, также наблюдаемая глазами человека и стоящая перед размышляющим мозгом человека, это высочайшая степень сложности и организации живого существа. Ближайшее изучение цветка, насекомого или млекопитающего обнаруживает почти невероятную точность расположения частей, которая абсолютно повторяется у бесчисленных индивидуальностей данного вида. При этом структура точно соответствует функциям: каждая часть неизменно находится на своем необходимом месте. Листья деревьев не появляются под землей так же, как и корни не появляются на ветвях.
Эта необходимая для жизни организация просто немыслима в неживых системах. У последних размещение частей определяется случайностью и хаотичностью. Теперь обсудим характеристики живого, которые открываются нам при помощи набора инструментов, имеющихся в распоряжении биолога. Среди них наиболее замечательным является оптический микроскоп, который открывает нам мириады живых форм, невидимых невооруженным глазом, и показывает, что все живые существа состоят из клеток и являются либо одно-, либо многоклеточными. Простейшие одноклеточные организмы также обнаруживают свойства репродуктивности с мутацией, передаваемой поколениям, питанием с помощью простейшего транспорта – всасывания пищи через мембрану (наружную оболочку клетки), и экскрецией посредством движений мембраны в противоположном направлении и реакцией на внешние раздражения. Электронный микроскоп с его более мощными возможностями позволяет ученому работать с отдельными особями одноклеточных, видеть крупные молекулы, и с его помощью был установлен нижний предел размера живой клетки. Для появления живого организма необходим минимальный размер его, обеспечивающий пространство для нужного количества ключевых молекул и их взаимодействия и организации.
БИОХИМИЧЕСКОЕ СХОДСТВО
Пожалуй, самые поразительные сведения о жизни были открыты биохимией и молекулярной биологией в 20-м веке. Несмотря на мириады видов живых существ вокруг себя и под линзами наших микроскопов, число видов молекул, из которых состоит исполинская масса живого материала, на поверхности земной коры удивительно невелико. Генетический материал – длинные полимерные молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, или ДНК, существенно одинаковы у всех живых систем от микроба до человека. Единственное различие состоит в последовательности четырех и только четырех звеньев, образующих цепь этих длинных молекул. Энзимы, катализаторы, определяющие всю метаболическую химию жизни в неизменных и контролируемых пропорциях, состоят всего лишь из одного вида молекул – протеинов. Как и ДНК, протеины – это длинные полимерные молекулы. Они построены из примерно 20-ти видов аминокислот и различаются только числом и последовательностью этих аминокислотных «бусинок» в протеиновом «ожерелье», которое образует различные протеины для всех живых существ. Соединения, которые образуют стенки клеток, кровь, жиры, кости, мозги и многие, т.е. все другие ткани – эти соединения поразительно немногочисленны во всей биологии. Назвав несколько дюжин, может, около сотни веществ, биолог может перечислить огромное количество всего, из чего построена жизнь. Это сходство «строительных белков» указывает на общность происхождения для всей жизни на Земле.
Хотя жизнь оперирует на базе из сравнительно небольшого числа органических молекул, многие из них очень велики и образуют сложные пространственные структуры. Эти молекулы могут содержать не менее миллиона атомов и далеко превосходят по размерам и по структуре молекулы неорганического мира. После смерти живые организмы оставляют вещества, которые мы определяем как несомненные продукты жизнедеятельности – нефть, уголь и т.п. Их состав и структуры те же, что биохимик находит в живущих сегодня организмах и только там, где была или есть жизнь.
ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ
Последняя важная характеристика жизни, также наблюдаемая только на молекулярном уровне, это «оптическая активность». Аминокислоты и другие важные биомолекулы в обеих формах зеркального образа и соответствующего отношения к плоскости поляризации – правовращающие – D-форма и левовращающие – L-форма. Аминокислоты в протеинах существуют в L-форме, тогда как сахара в ДНК – в D-формах.
РАЗМЕР РАННИХ ОРГАНИЗМОВ
Одноклеточная жизнь стала расцветать на нашей планете везде, где могла существовать жидкая вода. Бактерии были найдены в воде горячих источников при температуре 900C. В лаборатории бактерия была способной к росту при температуре 1040C до тех пор, пока вода предохранялась от кипения при помощи внешнего давления. На другой стороне температурной шкалы бактерия была найдена живой при температуре -240C в одном из прудов Антарктики. Вода в пруду сохранялась жидкой вследствие высокой концентрации соли. В случаях дремлющей жизни (семена, споры) температурные пределы намного шире. Споры выживают при температуре 2000C по крайней мере в течение 5 минут. Замирая при -1960C, они неопределенно долго не погибают и, возвращаясь к нормальной температуре, оказываются готовыми к нормальной жизнедеятельности. Были найдены бактерии, способные к выращиванию после 10,000 лет пребывания внутри ледникового льда. Высшие, более сложные организмы, ограничены несоизмеримо меньшими температурными пределами в смысле выживания. Бактерии были найдены на глубинах 11 км в Тихом океане, свыше 3 км в земной коре и на высоте около 20 км в атмосфере. Они могут переносить давление от одной миллионной доли атмосферы до нескольких сот атмосфер. Одна из главных причин для оптимизма по поводу шансов найти одноклеточную жизнь на Марсе – это показания лабораторных исследований о том, что бактерия может существовать в условиях, близких к условиям окружающей среды на поверхности Марса с низким атмосферным давлением – около одной сотой величины земного, состоящей почти из одного углекислого газа и со средней ночной температурой -700C (минус). Некоторые бактерии не нуждаются в газовом молекулярном кислороде в своей окружающей среде. Мало того, он может для них оказаться ядом. Эти бактерии, называемые анаэробами, живут в среде метана и сероводорода (например, во внутренностях животных). Это т.н. обязательные анаэробы. Другие, называемые факультативными анаэробами, могут существовать и в кислородосодержащей, и в бескислородной атмосфере. Хотя высшие многоклеточные формы жизни могут существовать лишь в узких границах окружающих условий, обстановка, в которой бактерия может существовать, расти и размножаться, является убедительным свидетельством приспособляемости жизни к самым жестким условиям в окружающей среде.
Формы, в которых появляется жизнь, настолько же разнообразны, насколько различна обитаемость среды. Наименьшие одноклеточные организмы (т.н. PPLO бактерии) имеют диаметр около четырех миллионных дюйма и вес одну миллиардную долю унции. Наиболее крупные живущие организмы – секвойя гигантская в Калифорнии – достигает более 75 м в высоте и весит более 1000 тонн. На Земле насчитывается примерно 2 миллиона видов живых существ (животных и растительных), но в сотню раз больше появлялось и исчезало в течение долгих миллиардов лет эволюции. В живых системах наблюдается очевидная тенденция изменяться, приспосабливаться и отбрасывать все неэффективное. Земля имеет бесчисленные природные ниши, которые также постоянно изменяются. Адаптация к этим изменениям вела к появлению и исчезновению миллионов форм жизни.
ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЖИЗНИ
Химия жизни есть преимущественно химия углеродных соединений, так что органическая химия и углеродная химия – почти синонимы. Углерод выполняет основную роль в биохимии потому, что из всех элементов углерод обладает наибольшей способностью к образованию длинных цепей и кольцевых структур среди всех остальных элементов. К этим углеродным цепям и циклам присоединены другие важные органические элементы – водород (Н), кислород (О) и азот (N). Эти четыре элементы составляют 99 процентов атомов живой клетки, и преобладающее мнение ученых на земле состоит в том, что жизнь где бы то ни было во вселенной должна основываться на этих же четырех элементах. Необходимо отметить, что за исключением благородных или химически инертных газов гелия и неона, водород, кислород, углерод и азот – наиболее распространенные элементы во вселенной. Оставшийся 1% атомов живой клетки включает по крайней мере 12 элементов, необходимых для жизни. Из этих 12 элементов фосфор – ключевой элемент в нуклеиновых кислотах; сера – ключевой элемент в протеинах; а калий, натрий и хлор-ионы регулируют переход сквозь клеточную мембрану, контролируют электрические изменения при нервно-импульсных передачах и выполняют другие важные роли. Другие необходимые элементы – железо, входящее в состав многих энзимов и в кровь высших организмов, и магний – часть молекулы хлорофилла – вещества, осуществляющего фотосинтез в растениях.
Ученые исследования, в частности с 1950 г., показали, что большинство, если не все важные углеродные соединения в нашей современной биологии сформировались в естественных процессах еще в предбиологическую эру. Это означает, что наша жизнь базируется на некотором комплексе веществ потому, что эти вещества уже были в наличии на предбиологической Земле. Эти химические соединения по степени их значения для жизни следующие: нуклеиновые кислоты, протеины, жиры и полисахариды, хлорофилл и вода. Вода, впрочем, могла бы находиться на первом месте.
Нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты – это соединения, сконцентрированные в ядрах живых клеток, которые несут и передают генетическую информацию и управляют клеточным синтезом протеинов. Имеются два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота – ДНК и рибонуклеиновая кислота – РНК. Обе они построены в виде длинных цепей из трех составляющих: основания – азотосодержащие органические соединения; сахар-рибоза в РНК и деоксирибоза в ДНК; и остатков фосфорной (орто) кислоты: четыре вида азотистых оснований в ДНК и налицо точная последовательность этих оснований вдоль цепи ДНК – достаточно длинной, чтобы насчитывать тысячи этих оснований, которые несут всю генетическую информацию. Определенная последовательность из трех оснований в цепи ДНК включает информацию для синтеза (в рибосомах клетки) специфических аминокислот. Эта информация-инструкция переносится из ядра к рибосомам рибонуклеиновой кислотой (РНК). (См. также ген.)
Протеины. Протеины являются наиболее важным строительным материалом живых систем. Материал клетки – это в основном протеин. Он составляет от 70 до 80 % сухого веса кожи и мышц и ок. 90% сухого веса крови. Важнее всего то, что биологические катализаторы – энзимы – это полностью протеины. Поэтому как построена живая система и какой вид метаболизма в ней происходит, это почти целиком зависит от вида его протеинов. Протеин построен из длинной цепи аминокислот. Только 20 индивидуальных аминокислот насчитывается в любых протеинах. Поскольку содержится порядка 1000 аминокислотных единиц в протеиновой цепи, число вариантов протеиновой цепи практически бесконечно (201000) и, следовательно, таким же может быть число возможных протеинов. Таким образом, порядок, в котором находятся четыре азотистых основания в цепях ДНК или РНК, контролируя последовательность, в которой аминокислоты построены в протеинах, определяет все огромное разнообразие видов живых систем.
Жиры и полисахариды. Жиры и полисахариды – это большие молекулы, которые также являются главными компонентами всех живых клеток. Жиры построены в основном из водорода и углерода, но содержат также небольшой, хотя и важный компонент кислорода. Осуществление многих процессов в клетке, таких, например, как фотосинтез, оказывается зависимым от структур с чередующимися слоями протеинов и жиров. Полисахариды, главным образом целлюлоза и крахмал, – главные продукты фотосинтеза и корм для животных.
Хлорофилл – комплекс молекул углерода, водорода, кислорода, азота и магния, делающий возможным использование энергии солнечного света зелеными растениями для своего существования и роста. Они же обеспечивают продуктами питания животную жизнь. Таким образом, вся жизнь на Земле (за исключением анаэробов) возможна благодаря фотосинтезу, который также снабжает атмосферу кислородом. Кроме того, наличие в верхних слоях атмосферы трехатомной модификации кислорода – озона О3 – защищает земную жизнь от гибельного воздействия ультрафиолетовых лучей.
Вода, хотя и не углеродное соединение, является важнейшим фактором жизни на Земле, каковую без воды невозможно представить. Четыре свойства делают воду настолько важной для жизни. Первое: чистые соединения остаются в жидком виде в большом интервале температур – от 00С до 1000С; второе: вода – отличный растворитель и т.о. образует идеальную циркулирующую среду для транспортировки материалов как вокруг живой клетки, так и внутри ее; третье: твердое состояние воды – лед – плавает на жидкой воде, редкое свойство и единственное предохраняющее моря и озера от промерзания до дна; четвертое: вода есть источник нашего атмосферного кислорода, т.к. фотосинтезирующие растения превращают воду в клетчатку по реакции 6Н2О + 6СО2 = С6Н12О6 + 6О2, насыщая атмосферу кислородом и убирая из нее углекислый газ.
ПОЯВЛЕНИЕ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ
В продолжение всей человеческой истории люди размышляли о возникновении жизни на Земле. Всегда было и до сих пор имеется по крайней мере столько же различных религиозных объяснений, сколько было человеческих культур. И только к 20-му веку накопилось достаточно научных знаний, сделавших возможным объяснить появление жизни на основе научных свидетельств и теорий. В этом разделе мы сделаем краткий обзор предшествующих гипотез о появлении жизни, затем изложим современную научную теорию, которая сделала заметный прогресс, начиная с 1950-х годов.
Ранние теории. Пожалуй, первой была теория «спонтанного самозарождения». В те времена почти всеобщим было убеждение в том, что все виды насекомых самопроизвольно зарождались в нечистых водных средах или в гниющих остатках органических материалов. Убедительных объяснений такого процесса не было. Дальнейшие наблюдения, уже в эпоху Ренессанса, показали, что насекомые появляются только из яиц, откладываемых их родителями. Соответствующий контролируемый эксперимент был выполнен итальянским врачом Франческо Реди в 1668 г., но его работы не получили распространения. А изобретение микроскопа воскресило идею спонтанного возникновения жизни: кишащие под линзами микроскопа мельчайшие существа – микробы – казались появившимися из ничего. И то, что микробы могут происходить только от других микробов, было окончательно установлено работами Пастера в 1860 г. После этого идея спонтанного появления жизни была оставлена, казалось, совсем. Однако начатые в 1950-х исследования принесли идее спонтанного возникновения реальное возрождение. Правда, теперь ее спонтанность стала относительной – потребовала временного расстояния в миллиарды лет. Работы геологов, химиков, палеонтологов не оставили сомнения в том, что жизнь на нашей планете родилась из неживой материи. И 20-й век как раз начал исследование этого всепоглощающего вопроса: произошло ли это еще где-нибудь?
В начале 20-го века шведский химик Сванте Аррениус предложил другую идею: что жизнь могла быть принесена на Землю со спорами из другого места вселенной, которые перемещались давлением звездного света из какого-то другого места вселенной. Хотя пространство за пределами земной атмосферы несомненно весьма жестко для жизни, прочность бактериальных спор делала предположение Аррениуса достаточно разумной гипотезой. Однако она не давала ответа на поставленный вопрос: о происхождении жизни, а просто переносила его в другое место и время.
Гипотеза Опарина-Хэлдейна – начало современной теории. Вследствие господства материалистической философии в науке Советского Союза считается неудивительным, что именно здесь родилась гипотеза, которая называется теперь «химической эволюцией» и стала основой современного понимания вопроса о начале жизни. В 1924 году в буклете «Происхождение жизни» молодой русский биохимик Александр Иванович Опарин высказал мысль о том, что жизнь могла возникнуть в задолго образовавшихся бассейнах или «лужах», где накапливались до высокой концентрации органические соединения при достаточно легких температурных условиях. Эту же идею независимо от него высказал спустя несколько лет английский биолог Ж.Б.С. Хэлдейн. Он предположил, что органические соединения должны были накапливаться на предбиологической Земле, пока первичный океан не достиг консистенции «разбавленного супа». Эти предположения привели ученых к размышлениям о том, что должна была представлять поверхность предбиологической Земли и о процессах, которые могли тогда происходить и подготовить материал для первых живых клеток.
Коротко говоря, «химическая эволюция» была продолжением Дарвиновской эволюции в обратном направлении и охватывала период накапливания органики в «первичной» воде предбиологической поверхности Земли до возникновения живой клетки. Длился этот период, по-видимому, 1 или 2 миллиарда лет.
Развитие современной теории. Не ранее, чем после Второй мировой войны экспериментальные исследования по идеям Опарина-Хэлдейна были поставлены на твердую почву. Следующие разделы будут суммировать эти и новые идеи и показывать, что они вместе с новыми экспериментальными находками сообщают о происхождении жизни на Земле.
Возраст Земли. Обоснованно считается, что наша Солнечная Система сформировалась путем медленного скопления пыли от взрыва ранее существовавшей звезды в космическое облако. Возраст нашей Земли считается по тому времени, когда на ней образовалась твердая кора. Это должно было быть примерно 4,5 миллиарда лет назад, что определяется по темпу разложения радиоактивных атомов, в частности, урана, и их наличию на Земле, и по астрономической информации о возрасте нашего солнца и других подобных звезд. 4,5 миллиарда лет назад поверхность Земли имела температуру, близкую к современной, и была, несомненно, безжизненна, как сегодня Луна.
Атмосфера предбиологической Земли. Считается вероятным, что вновь образованная планета Земля имела в своей коре много соединений углерода, подобных тем, что радиотелескопы астрономов нашли в неожиданном количестве в межзвездном пространстве. Кроме того, мы уверены, что атмосфера ранней Земли была полностью отлична от нынешней, и что она была местом синтеза многих важных органических соединений. Кислород присутствовал в очень небольшом количестве, а атмосферный углерод находился в виде метана СН4 и окиси углерода СО скорее, чем в виде двуокиси СО2. Главная причина утверждать, что древнейшая атмосфера Земли была совершенно отлична от нынешней состоит в том, что мы живем во вселенной, где преобладает по количеству водород: 85% атомов, образующих нашу солнечную систему – это атомы водорода. В условиях преобладания водорода кислород находится в виде воды Н2О, углерод в виде метана СН4, а азот в виде аммиака NH3. Эти газы, да еще окись углерода (скорее чем СО2) и составляли добиологическую атмосферу Земли вместо нынешних азота, кислорода и двуокиси углерода. Свидетельство этого – нынешние атмосферы больших и холодных планет – Юпитера и др. – содержащие много водорода, метана и аммиака, а также в химическом составе некоторых находимых на Земле каменных пород с возрастом более 2 млрд. лет. Еще одно свидетельство – то, что молекулярный кислород О2 – яд для некоторых живых клеток. Наконец, имеются химические свидетельства, полученные как результаты экспериментов с образцами предполагаемой водородно-преобладающей древнейшей атмосферы.
Источники энергии на предбиологической Земле. Для определения того, какая химия могла протекать в атмосфере и океанах древнейших эпох на Земле, необходимо рассмотреть необходимые для этого источники энергии. Так же как и теперь, атмосфера предбиологической земли была подвержена штормам с электрическими разрядами. Эти штормы можно легко имитировать в лабораторной колбе, пропуская электрические разряды через ее содержимое. Интерес представляет пропускание разряда через образец водородно-доминирующей атмосферы предбиологической Земли. Оказывается, что при этом образуются многие соединения, играющие ключевую роль в современной биологии. В дополнение к электроразрядам экспериментаторы применяли циклотрон, лучи, повторяющие эффект радиоактивности соответствующих минералов. Они использовали также ультрафиолетовый свет и токовые волны, повторяющие эффект метеоритных воздействий в земной атмосфере и океанах. Общий итог этих экспериментов следующий: если образец предполагаемой древнейшей земной атмосферы подвергается энергетическому воздействию, в нем появляются многие важные химические блоки компонентов современной биологии.
Образование биомономеров. В 1953 г. в университете Чикаго Гарольд Юри и Стенли Миллер заключительно демонстрировали образование аминокислот при пропускании электрических разрядов через смесь газов H2, СH4, NH3 и Н2О. Аминокислота, которая при этом получалась, относится к классу органических соединений, называемых «биомономерами». Биомономеры – это небольшие органические молекулы, которые как строительные кирпичики образуют большие весьма важные биомолекулы, такие как протеины и нуклеиновые кислоты, называемые биополимерами. Протеины – это цепные молекулы, образованные из множества молекул аминокислот. Вскоре после опубликования работы Миллера-Юри появились сообщения об образовании тем же путем сахара – одного из строительных блоков молекулы нуклеиновых кислот, и других важных биомономеров и биологических метаболитов. Не осталось сомнений в том, что предбиологическая эра Земли была богата биомономерами и что их возросшее количество повело к образованию биополимеров.
Образование биополимеров. Как выше было сказано, высокоэнергетические факторы, как молнии и ультрафиолетовый свет, превращали мелкие молекулы в молекулы большего размера. Однако эти же факторы и разрушали крупные молекулы снова до мелких. К счастью, на предбиологической Земле стали работать механизмы, защищавшие биомономеры от разложения. Органические молекулы, такие как биомономеры, более прочно адсорбировались минеральными поверхностями, чем мелкие органические молекулы. Поэтому биомономеры, синтезированные в первичной атмосфере, могли иметь тенденцию адсорбироваться на поверхности переносимых ветром пылевых частиц. Те из них, которые оседали на поверхности озер и морей, уходили на дно. Там они были защищены от разрушительного воздействия ультрафиолета, молний и т.п. и, следовательно, могли накапливаться. Более того, океанские приливы и течения смешивали разные мономеры, образованные в разных местах земной поверхности в различных температурных условиях или различными минеральными реактивами. Океан тогда служил и защитой, и смесителем, и образователем множества каталитических поверхностей.
Развитие палеонтологии показывало, что именно океан является колыбелью земной жизни, а «химическая эволюция» превратила это предположение в уверенность. Лабораторными работами было показано, что в разбавленных водных растворах (аналогичных среде в предбиологическом океане) биомономеры как строительные блоки могут соединяться в длинные цепи – биополимерные молекулы – протеины, нуклеиновые кислоты, жиры и полисахариды. Такие процессы должны озадачить химика, поскольку известно, что вода, наоборот, гидролизует сложные соединения, в частности, протеины, разлагая их на составные части. Однако присутствие в воде некоторых «энергетических» молекул содействует реакциям полимеризации, тормозя гидролиз. По крайней мере, одно из таких соединений – цианамид – было обнаружено, как один из продуктов в экспериментах типа работ Юри-Миллера.
При участии накопленных в предбиологическом океане каталитических поверхностей из минеральных веществ цианамид способствовал образованию протеинов и других биополимеров. Еще один вариант накопления биополимеров в океане следующий: волны высоких океанских приливов выбрасывали воду на берег, лужи нагревались, испаряясь, температура и растущая концентрация аминокислот содействовали реакциям полимеризации, т.е. образованию биополимеров, которые следующими приливными волнами смывались в океан. Таким образом, миллионнолетия накапливали биополимеры в предбиологическом океане. Этот предполагаемый сценарий накопления биополимеров в добиологическом океане неоднократно прорабатывался в лабораториях и может считаться вполне вероятным. И играл важную, если не решающую роль в возникновении жизни на планете Земля.
Еще один хорошо известный лабораторный феномен – автокатализ – определенно играл важную роль в образовании биополимеров так же, как и во многих других аспектах химической эволюции. Многие молекулы служат катализаторами для самих себя. Таким образом, как только такой продукт образовался, скорость его последующего образования намного увеличивается. Примером автокатализа являются нуклеиновые кислоты – они катализируют собственное образование. Автокатализ играл большую роль в ускорении химической эволюции.
Самогруппировка биополимеров. Протеиноподобный полимер, описанный выше и названный «протеиноидом» его главным исследователем американским биохимиком Сидни Фоксом, имеет некоторые весьма заслуживающие внимания характеристики. Этот материал, растворенный в теплой воде, которая следом остывает, образует микросферы, имеющие много свойств, которые напоминают наблюдателю живую клетку. Они примерно того же размера, имеют некую внутреннюю структуру и явно выраженную внешнюю границу, напоминающую мембрану. Они даже демонстрируют репродукцию, поглощая из раствора материал, и образуют на своей поверхности «почки», которые отделяются в раствор и образуют новые микросферы. В этом явлении мы наблюдаем в такого рода органических соединениях внутреннее присущее свойство к образованию детализированных структур. Появление живой клетки может быть неизбежным результатом этой тенденции. Рассмотрим еще один пример тенденции биополимеров к биологически значимому самоагрегированию. Вирусы – создания, причиняющие так много несчастий жизни, много сообщают нам о механизме жизни. Они имеют ядро из нуклеиновой кислоты, во многом схожей с нуклеиновой кислотой нормальной клетки. Фактически вирусная нуклеиновая кислота разрушает клетку; когда она попадает внутрь клетки, последняя прекращает всю предыдущую деятельность и становится производителем новых вирусов. Нуклеино-кислотное ядро вируса покрыто подобием пленки из протеина, без которой его нуклеиновая кислота не обнаруживает инфекционности. Протеин и нуклеиновая кислота могут быть разделены лабораторной обработкой. Однако вслед за этим оба компонента спонтанно соединяются, причем возвращается и инфекционность. Эта спонтанная самосборка должна была играть главную роль в возникновении жизни. Также этот процесс хорошо понятен с позиций современных химии и физики. Некоторые атомы, например, кислород и азот, имеют тенденцию притягивать электрон – фундаментальную частицу отрицательного электрического заряда, тогда как другие, как, например, водород, легко теряют электроны и становятся, таким образом, центром положительного заряда. В случае воды этот феномен приводит к взаимному притяжению между молекулами воды, сила которого во много миллиардов раз превосходит силу гравитации. Без этого притяжения маленькие, легкие молекулы воды находились бы в газообразном состоянии до температуры примерно -730C. Химики называют это притяжение водородной связью. Именно вследствие наличия водородной связи вода находится в жидком состоянии при средней температуре земной поверхности 18,50С и на много градусов по обе стороны этой температуры.
Биохимики находят очень трудным, если не вообще невозможным, вообразить жизнь без жидкой воды. Та же сила – водородная связь – держит звенья биомономеров в длиннейших цепных молекулах протеинов, нуклеиновых кислот и в большинстве других биологических молекул. Поэтому возникшие в предбиологическую эру в атмосфере и в морях важные для жизни биологические молекулы проявляли тенденцию к образованию протеиноидов, а те – к образованию микросфер со всеми их клеточными свойствами.
Конформации биополимеров. Водородные связи также присваивают (сообщают) протеинам и нуклеиновым кислотам точные трехмерные структуры их конформации. Если процессы в первичных океанах и на отмелях вели к сцеплению аминокислот с формированием длинных цепных молекул протеинов, можно ожидать, что такая цепь будет выглядеть как, скажем, бесформенный комок брошенных произвольной формы витков. Однако мы знаем по результатам Х-лучевых анализов, что наши протеины и нуклеиновые кислоты существуют вовсе не как комки, а как точные геликондальные структуры, подобные винтовой лестнице. Протеиновые и нуклеинокислотные геликсы удерживаются на своих местах водородными связями, и мы знаем, что биологическое функционирование этих молекул абсолютно определяется их геликондальной структурой. Протеин не может работать как катализатор (энзим) вне этой формы, так же как и нуклеиновая кислота не может осуществлять репликацию или передавать «генетическую инструкцию» для «конструирования» следующих поколений. Эти геликсы могут быть нарушены, повреждены в лаборатории, например, при их мягком нагревании. Однако, когда этот материал остывает до физиологической температуры, они спонтанно регенерируются. Следовательно, мы можем заключить, что на предбиологической Земле эти молекулы и другие биополимеры были образованы не биологически, как структурно, так и агрегативно, в необходимом для жизни виде.
Время появления жизни. Процессы, описанные выше, имели место, вероятно, свыше миллиарда лет до появления первой живой клетки. После того, как земная кора и океаны образовались (около 4,5 миллиардов лет тому назад), органические соединения накапливались в океане под водородо-доминирующей атмосферой. А первая живая клетка считается возникшей 3,5 миллиарда лет назад – ориентировочное время, которое было принято после некоторых драматических открытий, сделанных с середины 1960-х годов.
Когда палеонтолог прослеживает в доисторическом прошлом ископаемые остатки твердотелых организмов, он находит последние следы где-то во времени в 600 миллионов лет назад от нашего. Хотя было очевидно, что более простые и простейшие присутствовали на Земле в далеко более ранние времена, было мало прямых свидетельств их существования когда бы то ни было. Сегодня, однако, мы имеем очень хорошие свидетельства о том, что одноклеточная жизнь существовала на Земле не ближе во времени от нас как 3,2 миллиарда лет назад. В 1965 году американский ботаник Элзо Баргхорн и его сотрудники идентифицировали окаменевшие бактерии и клетки алги на кремнеподобных формациях в Южной Африке. Эти формации были надежно датированы как одни из старейших на нашей планете с возрастом не менее 3,2 миллиардов лет. Намного более обширные свидетельства ископаемых бактерий и алги были найдены в двухмиллиарднолетней породе типа ружейного кремня в Онтарио. Эти свидетельства отличались сходством некоторых ископаемых с современными организмами, а также содержали «химические ископаемые», в частности, молекулы хлорофилла, которые могли появиться только как результат клеточного метаболизма.
Первые появления гетеротрофов. 3,2-миллиарднолетние древние южноафриканские ископаемые имели организационные характеристики, которые показывали, что они были остатками автотрофных организмов, т.е. организмов, которые были способны производить свое питание посредством прямого использования энергии солнечного света. Они применяли эту энергию для синтеза органических соединений из подходящих неорганических составных частей, растворенных в воде, плюс бикарбонатный ион, как источник углерода. В отличие от автотрофов, гетеротрофы должны добывать свою энергию, питаясь готовыми органическими соединениями. На предбиологической Земле первые живые клетки были, вероятно, гетеротрофами. Они абсорбировали аминокислоты, сахара и другие органические соединения прямо через их мембрану из окружающей водной среды. Похоже, что первым населением Земли был коллектив гетеротрофных клеток. Когда в том или ином месте стало не хватать готовой органики для питания, клетки, накопившие достаточно хлорофилла и имевшие достаточное освещение солнцем, постепенно выработали фотосинтетический аппарат и стали независимыми от наличия готовой органики в среде обитания, т.е. стали автотрофами.
Поскольку наши древнейшие ископаемые относятся ко времени 3,2 миллиарда лет назад и поскольку мы предполагаем, что гетеротрофные организмы существовали еще до этого времени, мы можем теперь датировать время появления жизни на Земле что-нибудь между 4,5 и 3,2 миллиарда лет назад, где первая цифра приблизительно соответствует времени образования земной коры, а вторая – когда автотрофные организмы уже существовали. Конечно, жизнь могла существовать 4 миллиарда лет назад или еще раньше. Все же на современном уровне наших знаний есть основания полагать, что возраст жизни на Земле – около 3,5 миллиардов лет.
Сводка о современной теории происхождения жизни. После формирования Земли в течение первых миллиардов лет ее существования на поверхности Земли накопилось обилие органических соединений, образовавшихся в результате энергетических процессов в первичной водородо-доминирующей атмосфере Земли. Часть их осела на мелководных участках морей, озер и других водоемов, где они были защищены водой от разрушительного воздействия тех же энергетических воздействий в атмосфере. При воздействии конденсирующих агентов, катализаторов и (возможно) вулканического нагрева, эти биологически важные соединения (биомономеры) формировали органические продукты, которые являются ключевыми компонентами современной биологии. Эти продукты включают биополимеры, такие как протеины и нуклеиновые кислоты, и ключевые метаболиты, как хлорофилл. Как результат хорошо понятных электрических сил, действующих между молекулами, биополимеры спонтанно принимают форму и агрегатную структуру, которую мы находим в современной живой клетке. Было много шансов для различных вариантов агрегирования биополимеров, но точно в соответствии с Дарвиновской эволюцией остались наиболее эффективные варианты для питания клетки. Они и определили структуру современной клетки.
Шел устойчивые прогресс от агрегации молекул до протоклетки и до живой клетки, без очевидного перерыва во времени, когда появилась наконец эта живая клетка. Однако существует вероятность того, что 3,5 миллиарда лет назад, через один миллиард лет после образования Земли, уже были колонии одноклеточного материала, которые современный биолог охотно назвал бы живыми. Это могли быть анаэробные гетеротрофы: анаэробны потому, что они формировались в атмосфере с огромным дефицитом кислорода; гетеротрофы потому, что у них не было фотосинтетического аппарата, который делал возможным прямое использование солнечного света для получения собственного питания.
ЭВОЛЮЦИЯ ЖИЗНИ
Теория биологии или Дарвиновская Эволюция, опубликованная в 1859 г., была обильно подтверждена лавиной фактов. Чарльз Дарвин и Олфред Уоллес утверждали, что жизнь на Земле началась с первичной клетки, а затем изменялась и развивалась благодаря случайным мутациям. Если эти мутации, причины которых не были понятны вплоть до середины 1950-х гг., давали организму какие-то преимущества над его соседями, он выживал и передавал эти мутации своим потомкам. Этот механизм приводил к постоянному появлению новых форм жизни, поскольку он продолжался во всех последующих поколениях. И исчезали виды, подвергнувшиеся неблагоприятным мутациям. Перемены климата и других условий на Земле толкали к дальнейшему экспериментаторству в природе для определения наиболее адаптированных видов к вновь возникающим экологическим нишам.
Развитие, начиная с 1950 г., дисциплины молекулярной биологии, принесло объяснение на молекулярном уровне связи механизма мутаций с Дарвиновской эволюцией. Если нуклеиновая кислота в живой системе изменяется, будучи подвержена радиации или действию какого-либо реактива (мутагена), она начинает вырабатывать другие аминокислоты и, следовательно, другие протеины. Нуклеиновые кислоты древнейших клеток были постоянно подвержены воздействию радиации, химических мутагенов и других факторов окружающей среды, которые приводили к изменению последовательности азотистых оснований в цепи ДНК. Эти изменения вели к выработке новых видов протеинов. Поскольку протеины действовали как катализаторы всей клеточной биохимии, изменения в них могли приводить к глубокому изменению в характере клеток. Это были те мутации, которые, вероятно, вели от гетеротрофов к автотрофам и от примитивных прокариотов (клетки с диффузной нуклеиновой кислотой, т.е. без ядра и без способности к половому воспроизводству) к эукариотам (клетки с нуклеиновой кислотой, сконцентрированной в ядре, со значительно более сложной внутренней структурой и обладающие способностью к половому воспроизводству). Это также вело к многоклеточной жизни со всеми ее возможностями развития многочисленных форм жизни и качествами и способностями единичных индивидуумов. Как было ранее указано, возможно, 1% видов, существовавших на нашей планете, существует поныне. Бесчисленные мутации имели место в прошлом и они до сих пор происходят. Ныне, однако, на Земле существует новый феномен: живущий творец-человек, который понимает, как происходят мутации, и поэтому обладает могучей силой контролировать мутации и управлять ими. Использование этих возможностей человека в большой степени определяет будущее истории жизни на нашей планете.
P.S. Автор данной статьи в курсе того, что в последние десятилетия появилось значительное количество новой информации по предлагаемой теме и приносит свои извинения за то, что она не нашла места в этой статье. По мере возможности, попытаемся восполнить этот недостаток.
Однако известно, что каких-то капитальных изменений в существе вопроса пока не происходило.
ТЕРМИНЫ
Амины – продукты замещения атомов водорода в аммиаке (NH3) органическими радикалами. Например, NH2CH3 – метиламин, СН3 – радикал, метил.
Автотрофы (от «auto» и «trophe» – пища (греч.)) – организмы, синтезирующие из неорганических веществ (гл. образом, из воды, диоксида углерода, неорганических соединений азота) все необходимые для жизни органические вещества.
Гетеротрофы (от «гетеро» – другой (греч.)) – организмы, использующие для своего питания готовые органические вещества: все животные, человек, большинство бактерий, грибы.
Мономер (от «моно» – один и «meros» – часть) – вещество, молекулы которого способны реагировать между собой или с молекулами других веществ с образованием полимера.
Полимеры («поли» – множество) – вещества, молекулы которого состоят из повторяющихся звеньев.
Биомономеры, биополимеры – соотв. вещества, образующие животные и растительные организмы.
Аминокислоты – класс органических соединений, содержащих карбоксильные (-СООН) и амино (-NH2) группы, обладающие свойствами кислот (1-е) и щелочей (2-е). Участвуют в обмене азотистых веществ всех организмов.
Протеины – белки, состоящие только из остатков аминокислот. Часто термин «протеины» употребляют как синоним слова «белки».
Водородная связь – связь ядра водородного атома одной молекулы с электронной оболочкой соседней молекулы. Без водородной связи, например, не было бы жидкой воды.
Энзимы (от греч «en» – внутри и «zyme» – закваска) – то же, что ферменты: биологические катализаторы, присутствующие во всех живых клетках.
Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные органические соединения, присутствующие в клетках всех живых организмов и выполняющие важнейшие функции по сохранению и передаче генетической информации, и др.