1 рік тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Вопрос о происхождении жизни является одной из величайших проблем естествознания, без его научно обоснованного разрешения невозможно построить пра­вильное мировоззрение, отражающее объективную действительность.

Решать эту проблему можно несколькими путями: а) посредством поисков и тщательных исследований от­дельных звеньев усложнения неорганических элемен­тов вследствие их взаимодействия в отдаленные эпохи существования земли (этот метод можно применить также для исследования эволюции химических элемен­тов и на других планетах Вселенной);

б) путем искусственного воспроизведения в лабора­торной обстановке тех условий, которые существовали на еще безжизненной Земле, на отдельных этапах эво­люции углеродистых соединений, изучения совершаю­щихся в этих условиях процессов синтеза все более и более сложных органических веществ и образования из них многомолекулярных систем и, наконец, путем построения и изучения моделей этих систем и процес­сов;

в) с помощью сравнительного биохимического ис­следования современных организмов, позволяющего выявить порядок эволюции обмена веществ и его наи­более ранние звенья, возникающие в самом процессе становления жизни.

Применяя эти методы, ученые разных стран достиг­ли больших успехов в научном разрешении проблемы происхождения жизни.

Пионером исследований в этом направлении был академик А. И. Опарин. Еще в двадцатые годы он соз­дал первую научную теорию происхождения жизни на Земле. При этом он исходил из диалектико-материалис­тического определения жизни, данного Ф. Энгельсом, который учил, что «жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого явля­ется постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой».

Чтобы представить себе, как и когда возникла жизнь, нужно проследить ход развития материи, начи­ная с очень отдаленных времен.

С помощью изотопного анализа радиоактивных эле­ментов, содержащихся в земной коре, установлен об­щий возраст нашей планеты, равняющийся примерно 4,5—5 миллиардам лет. Как полагает большинство уче­ных, Солнце, проходя через скопления космических частиц, газопылевой материи, увлекло в свою орбиту большое количество этого вещества. Из газопылевой ма­терии возникли сгущения, которые впоследствии яви­лись основой для образования Земли и других планет солнечной системы.

Спектральные исследования химического состава газопылевой материи показывают, что в ее составе со­держатся в огромном количестве такие элементы, как углерод и водород. Эти элементы широко распростране­ны по всей нашей Галактике. Водород, например, со­ставляет около девяноста процентов всего вещества Га­лактики.

Углерод обладает большой химической активностью и потому может присоединить к себе водород, в резуль­тате чего образуются более сложные минеральные ве­щества — углеводороды.

С помощью спектрального анализа углеводороды были обнаружены в составе почти всех доступных ис­следованию небесных объектов.

В зависимости от температуры небесных тел хими­ческие элементы находятся в различном состоянии. В атмосфере молодых, наиболее горячих звезд, имею­щих температуру 25—27 тысяч градусов, никаких хи­мических соединений нет. Углерод, водород и все дру­гие элементы находятся там в виде атомов и ионов. На более «холодных» звездах, с температурой около 12 тысяч градусов, обнаружены уже простейшие химиче­ские соединения углерода с водородом (метины — СН). Температура поверхности нашего Солнца равна 6 ты­сячам градусов. В его атмосфере обнаружены химиче­ские соединения не только типа углеводородов, но и соединения углерода с азотом (циан — CN), а также соединения двух атомов углерода (дикарбоны — С2). В атмосфере же таких больших и холодных планет, ка­кими являются Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, содер­жится большое количество метана.

Большое значение в изучении эволюции соединений химических элементов имеют исследования метеори­тов. Пристальное внимание ученых в последнее время привлекли так называемые углистые хондриты — ме­теориты, содержащие в себе значительное количество углерода (до 4,8 процента), а также и минералы, вклю­чающие в себя связанную воду (гидротированные си­ликаты и алюмосиликаты).

Углистые хондриты являются довольно хрупкими образованиями из черной непрозрачной массы. В этих метеоритах имеются графиты, иногда обнаруживается и метан. Особый интерес представляет значительное со­держание в углистых хондритах органических веществ, в основном углеводородов, а частично также их кисло­родных, азотистых и сернистых производных.

Специальные исследования метеоритов Оргей и Иве­на дают основания говорить об абиогенном (то есть не­зависящем от жизни) происхождении органических со­единений, обнаруженных в их составе. Остатков живых существ на метеоритах не найдено.

Широко развернувшиеся исследования химического состава метеоритов и других объектов Вселенной побу­дили выдающегося английского ученого Дж. Бернала (р. 1901 г.) сформулировать новую гипотезу космиче­ского происхождения тех органических веществ, кото­рые послужили материалом для формирования живых существ на Земле. Согласно этой гипотезе, синтез все более усложняющихся органических молекул и их по­лимеров происходил под влиянием солнечной радиации и воздействия космических лучей в частицах косми­ческой пыли, покрытых льдом и конденсированными газами. При повышении температуры в зоне формиро­вания планет земного типа поверхностные ледяные и конденсированные слои испарялись и улетучивались. Но более или менее высокомолекулярные органические вещества сохранялись, давая затем начало для форми­рования тех углеродистых комплексов, которые можно сейчас обнаружить в углистых метеоритах. Земля, обра­зовавшаяся путем накопления хондритных тел при относительно низкой температуре, получила от них уже готовый комплекс органических веществ, часть из ко­торых послужила бы основанием для последующего развития жизни.

Возможность такого рода синтеза органических ве­ществ на частицах космической пыли находит свое подтверждение в ряде фактов. Так, Ж. Глазель синтези­ровал ацетилен, этан, пропан и некоторые более слож­ные углеводороды при бомбардировке метана и аммиака (CH4 и NH3) электронами. Действием протонов высо­кой энергии на аммиак, метан и воду ученым удалось синтезировать продукты жизнедеятельности животных организмов — мочевину и другие вещества.

Необходимо отметить тот факт, что и в настоящее время в ряде мест нашей планеты обнаруживается об­разование углеводородов как результат еще не закон­чившегося процесса формирования земной коры. Боль­шой интерес в этом отношении представляет, напри­мер, газовыделение на Хибинах и Кольском полуост­рове. Анализ этих газов показывает наличие в них метана и более тяжелых углеводородов. Все данные го­ворят о том, что газы эти произошли из магмы.

В настоящее время многие ученые считают, что нефть имеет двоякое происхождение: как с участием животных организмов, так и независимо от жизни. При этом ученые убеждаются, что чем древнее нефть, тем она больше выявляет признаков своего абиогенно­го происхождения.

Таким образом, данные по изучению космических и геологических веществ убедительно доказывают, что при формировании и в начальные периоды существо­вания Земли на ее поверхности образовались большие количества углеводородов и их производных, явивших­ся исходным материалом для дальнейшей эволюции органических веществ.

Итак, современная наука установила и доказала ес­тественный ход эволюции химических соединений и образование простейших органических веществ типа углеводородов. Это был первый этап в возникновении жизни на Земле.

Ученые выделяют два глубоко отличных периода в истории развития Земли и происхождения жизни на ней: современный или подобный современному и пред­шествовавший ему более древний период. В начальный период развития Земли окружающая ее атмосфера не содержала свободный кислород и имела восстанови­тельный характер. Поэтому процессы выветривания горных пород в бескислородной среде происходили ина­че, чем в настоящее время. В начальные периоды жиз­ни нашей планеты минералы, входившие в ее состав, не окислялись и были устойчивы в химическом отноше­нии. На основании геохимических анализов горных по­род ученые пришли к выводу, что восстановительная (начальная) эпоха закончилась примерно два миллиар­да лет назад, а начало второй (новой) эпохи датируется миллиардом лет. Между этими датами лежит переход­ная эпоха, в течение которой атмосфера Земли обога­щалась свободным кислородом. Это уже было связано с развитием жизни, возникшей еще в конце первой эпо­хи, в чем убеждают нас сравнительнобиохимические и палеонтологические данные. Таким образом, предшест­вовавшая жизни эволюция органических веществ (вто­рой этап в истории происхождения жизни) осущест­влялась на поверхности Земли еще в условиях, глубоко отличных от современных. Основные отличия первоначальной эпохи заключаются в том, что в тот период еще не существовали живые организмы, которые совер­шают огромный круговорот веществ в природе.

Отсутствие свободного кислорода в первичной ат­мосфере Земли исключало окислительные процессы первых соединений — углеводородов. Однако химиче­ские реакции в этот период происходили. Эти реакции осуществлялись под действием ультрафиолетовых лу­чей, которые в огромном количестве, пронизывая ат­мосферу, достигали поверхности планеты. Озоновый экран, находящийся в современной атмосфере на высо­те 30 километров, прекращает доступ коротковолновой ультрафиолетовой радиации на земную поверхность. Современная атмосфера Земли, верхняя часть почвы и вся гидросфера (водная среда) до самых больших глубин содержит свободный кислород и обильно засе­лена микробами, которые, поедая органические веще­ства внешней среды, исключают всякую возможность их длительной эволюции.

Большинство ученых считают, что в настоящее время первичное возникновение жизни в природных условиях невозможно, поскольку абиогенный путь эволюции органических веществ очень длителен и для него нет тех условий, которые были в доактуалистиче­скую эпоху существования Земли.

Поэтому, чтобы иметь правильные научные сужде­ния об органической эволюции в доактуалистиче­скую эпоху, ученым приходится производить лабораторные (модельные) опыты, в которых искусственно создаются физические и химические условия, когда-то существовавшие на земной поверхности.

Накопленный учеными разных стран эксперимен­тальный материал показывает, что углеводороды и их ближайшие производные обладают большой способ­ностью вступать в реакции. В условиях доактуалисти­ческой эпохи восстановленные углеродистые соедине­ния могли взаимодействовать как между собой, так и с парами воды, аммиаком, сероводородом и другими газами восстановительной атмосферы Земли. При этом скорость таких реакций зависела от температуры и в особенности от действия тех или иных неорганических катализаторов.

Очень важную роль в органохимических реакциях того времени должны были играть и внешние источни­ки энергии, прежде всего коротковолновый ультрафио­летовый свет, затем радиоактивные излучения и, нако­нец, различные электрические разряды в атмосфере, которая была насыщена парами воды и имела вид сплошной облачности.

Применение этих источников энергии в лаборатор­ных условиях, имитирующих условия первичной зем­ной атмосферы, позволило в многочисленных опытах синтезировать большое количество биологически важ­ных веществ. Исходными продуктами для этих синте­зов послужили такие несложные химические соедине­ния, как метан, аммиак и пары воды, а также некоторые легко возникающие из них производные, как, на­пример, циан, формальдегид, ацетальдегид и др.

В этом отношении особого внимания заслуживают опыты американского ученого С. Миллера, который, пропуская в специально сконструированном им для этой цели приборе тихие разряды через газовую смесь метана, аммиака, окиси углерода, водорода и паров воды, получил разнообразные органические соедине­ния, в частности, аминокислоты, эти важнейшие «кир­пичики» белковой молекулы.

Аналогичные опыты были произведены советскими учеными Т. Павловским и А. Пасынским, получивши­ми ряд аминокислот при воздействии на смесь прими­тивных углеродистых соединений коротковолновыми ультрафиолетовыми лучами.

Особый интерес представляют опыты ученых по абиогенному синтезу пуриновых и пиримилиновых оснований, рибозы и дезоксирибозы, из которых обра­зуются отдельные звенья молекулярных цепочек, ле­жащих в основе нуклеиновых кислот, так называемые мононуклеотиды.

Лабораторные опыты ряда исследователей (Ш. Ако­бари, С. Фокс, А. Вильсон, Г. Шрамм и др.) весьма убе­дительно показали, что в условиях, царивших на по­верхности доактуалистической Земли, аминокислоты и мононуклеотиды должны были полимеризоваться, соединяясь между собой в длинные молекулярные це­почки, что приводило к образованию высокомолекулярных веществ типа белков и нуклеиновых кислот — важнейших компонентов протоплазмы. Однако нукле­иновые кислоты и белки протоплазмы организмов об­ладают строго закономерной структурой: определен­ным расположением аминокислот (или мононуклеопротеидов) в их полимерной цепочке и определенным закручиванием этой цепочки, ее пространственным расположением. В противоположность этому структура абиогенно возникших аминокислотных или нуклеотид­ных полимеров должна была носить случайный харак­тер, что обнаруживается и в лабораторных опытах.

В процессах первичной полимеризации веществ большую роль играли, по-видимому, фосфорные соеди­нения. При температуре около 300° С и выше фосфор­ная кислота полностью конденсируется с образовани­ем полифосфатов. На поверхности юной Земли, где активно действовали многочисленные местные разо­гревы под действием вулканических извержений, по­лифосфаты и их органические соединения могли обра­зовываться в больших количествах. Абиогенным путем ряду ученых удалось получить из полифосфатов с использованием ультрафиолетового света аденозинтри­фосфорную кислоту (АТФ), которая является основ­ным источником энергии у всех современных орга­низмов.

Таким образом, современная наука располагает многочисленными фактами, которые позволяют ут­верждать, что в период доактуалистической эпохи существования нашей планеты водоемы земной гидро­сферы содержали в себе наряду с водным раствором неорганических соединений также и разнообразные органические вещества — простые и сложные мономе­ры и полимеры, а также богатые энергией соединения, способные вступать в многочисленные взаимодействия между собой. Этот своеобразный «первичный бульон» все время изменялся, эволюционировал.

Однако имевший в нем место порядок химических превращений органических веществ (их образование и распад) коренным образом отличался от того порядка, который свойствен живым организмам.

В протоплазме клеток живых организмов сущест­вуют строго согласованные процессы синтеза и распа­да органических веществ. Процессы обмена веществ в живых организмах протекают циклично, последова­тельно, они являются основой всех жизненных функ­ций.

В «первичном бульоне» такой согласованности, последовательности, обратимости процессов обмена, конечно, не было. Превращения здесь происходили только на основе химических и физических реакций. Поэтому в тех условиях могли возникать всевозмож­ные органические соединения и полимеры. Но эти ве­щества коренным образом отличались от биополиме­ров — белков и нуклеиновых кислот, которые входят в состав протоплазмы клеток всех живых организмов. Короче говоря, первородные органические вещества не обладали еще функциональными свойствами живой материи. На вопрос, когда и при каких обстоятельст­вах произошло превращение первородных органиче­ских веществ в живую протоплазму, науке еще пред­стоит дать ответ.

Образование белковонуклеиновых молекул, обла­дающих функциональными свойствами, происходит только в живой клетке. Создание таких биополимеров искусственным путем до последнего времени считалось фантазией.

По этому поводу писатель-фантаст Микки Мэд пи­сал: «Шел 5999 год. Было изобретено все, что можно изобрести. Человечество без устали летало к иным ми­рам. И настал день, когда все человечество улетело.

Впрочем, на земле остались белково-нуклеиновые роботы, созданные человечеством. Это были вполне современные белково-нуклеиновые роботы. Они управ­ляли погодой, строили атомные реакторы, издавали газеты, бегали на соревнования и самоусовершенство­вались. Они производили себе подобных».

Писатель-фантаст ошибся в своих расчетах, и на­много: не прошло и нескольких лет, как мечта об ис­кусственном синтезе живой материи стала реально­стью. Американский биохимик Альберт Коренберг в 1967 году создал синтетическую молекулу, способную жить. Впервые родилась «искусственная жизнь» — ген, или вирус. Коренберг с сотрудниками взял 4 нук­леотидных основания молекулы ДНК (аденин, гуанин, тимин, цитозин) и добавил фермент ДНК — полиме­разу.

Под влиянием этого фермента 4 нуклеотида созда­ли новую цепочку из 6 тысяч нуклеопротеидов, ко­торая оказалась сходной с природной ДНК, выделен­ной из вируса.

Синтетическая ДНК явилась как бы «матрицей» для синтеза других молекул ДНК. Созданная искус­ственным путем молекула ДНК оказалась способной внедряться в микробную клетку, в частности в кишеч­ную палочку, и образовывать в ней сотни вибрионов, которые, убив микробов, выходят наружу. Затем с такой же легкостью эти вибрионы внедряются в новые, непораженные микробные клетки и т. д., то есть син­тетическая ДНК существует точно так, как естествен­ный вирус.

Это открытие явилось важнейшим шагом в науке по пути искусственного создания жизни и убедитель­но доказало несостоятельность религиозных версий о создании живых существ с помощью каких-то сверхъ­естественных сил.

Однако искусственное создание доклеточных форм типа вибрионов, которые находятся на грани неживой и живой природы, является только первым шагом в науке. Более важной проблемой является создание жи­вой клетки со всеми ее работающими органами. Ведь именно клетка и положила начало жизни на нашей планете.

Задача ученых, работающих над проблемой про­исхождения жизни, состоит в том, чтобы установить те эволюционные пути, на которых из хаоса беспоря­дочно происходящих между собой фотохимических реакций возникал определенный порядок обмена ве­ществ.

Академик А. И. Опарин считает, что к решению этой исключительно сложной задачи можно подходить с двух сторон.

Один путь — это тщательные и всесторонние био­химические исследования современных организмов. Такие исследования позволят вскрыть последователь­ность процессов обмена веществ, установить их сход­ство и различие и, стало быть, выработать представле­ние о том, как зарождались и развивались различные формы живых существ.

Другой путь исследования состоит в проведении модельных опытов, в какой-то мере воспроизводящих явления, которые происходили в условиях «первично­го бульона».

Молекулы высокополимерных органических ве­ществ, широко распространенные в природе в водных растворах, в обычных условиях температуры, давле­ния, кислотности и т. п. объединяются между собой в целые молекулярные рои, или кучи, и таким путем выделяются из раствора в форме видимых под микро­скопом образований, отделенных от воды резкой гра­ницей.

Эти образования получили название коацерватных капель. Коацервация является одним из мощных спо­собов концентрирования высокополимерных соедине­ний из их водных растворов.

Коацерватные капли легко образуются и из беспо­рядочно построенных полимеров.

Академик А. И. Опарин использовал коацерваты в качестве модельных объектов. Им получены коацер­ваты при смешивании в растворе различных полипеп­тидов (пример: белок — полиглюкозид, два различ­ных белка, белок и нуклеиновая кислота и т. д.). Как только молекулы достигают определенных размеров, из раствора сразу же начинают выделяться коацер­ватные капли. В связи с образованием коацерватных капель равновесие реакций сильно смещается в сторо­ну синтеза.

По мнению А. И. Опарина, в условиях «первично­го бульона» должна была происходить неспецифиче­ская полимеризация органических соединений, в ре­зультате чего образовывались полипептиды и полинуклеотиды с беспорядочным расположением мономер­ных остатков в их цепях. Прямым следствием этого должно было явиться выделение образовавшихся по­лимеров в виде коацерватных капель.

Дальнейшая же эволюция органических полиме­ров могла осуществиться главным образом в этих комп­лексных, изолированных системах, а не в общем раст­воре, как это представляли себе раньше.

Это один из возможных путей эволюции первород­ных органических веществ (протобионтов), который привел к образованию первых организмов на Земле.

Сравнительные биохимические изучения различ­ных организмов по уровню их организации показали, что в процессе обмена веществ у них много общего. На основании современных биохимических и физиологи­ческих данных можно представить историческое раз­витие первичных организмов.

В начале первичные организмы могли питаться только теми органическими веществами, которые воз­никли раньше чисто абиогенным путем.

Отсутствие свободного кислорода в первичной зем­ной атмосфере и гидросфере обусловило анаэробный (бескислородный) характер энергетического обмена первичных организмов. (Данные сравнительной био­химии убедительно показывают, что анаэробный обмен лежит в основе энергетики всех без исключения сов­ременных организмов.)

В процессе развития жизни запас абиогенно обра­зовавшихся органических веществ на земной поверх­ности постепенно истощался, так как размножение первичных организмов происходило быстрее образо­вания органических веществ абиогенным путем. Этих веществ стало не хватать в окружающей среде «пер­вичного бульона». Недостаток питания для гетеро­трофных организмов (питающихся органическими ве­ществами) явился важнейшим фактором, обусловившим появление новых форм организмов, которые ста­ли приспосабливаться к использованию световой энер­гии и с ее помощью создавать себе пищу из неоргани­ческих веществ и углекислоты атмосферы.

Таким путем вместо прежнего, очень несовершен­ного и медленного абиогенного способа образования органических веществ возник новый, биологический, метод синтеза этих веществ — фотосинтез. Фотосинтез оказался более совершенным методом обмена веществ, поэтому фотосинтезирующие организмы (зеленые рас­тения) стали интенсивно развиваться и заняли господ­ствующее положение.

Возникновение фотосинтезирующих организмов в корне изменило условия жизни на Земле.

Гетеротрофные организмы, хотя сохранились и раз­вивались, стали использовать органические вещества, которые создавались значительно быстрее и более со­вершенными способами — фотосинтезирующими ор­ганизмами, то есть биогенным путем. На этой основе произошло разделение организмов на два огромных мира — растений и животных. Это произошло около одного миллиарда лет тому назад.

Возникновение фотосинтетиков создало не только изобилие органических веществ, но и привело к воз­никновению свободного кислорода, а также к очище­нию атмосферы от огромных количеств углекислого газа. С появлением кислорода создались предпосылки для возникновения организмов с более совершенным способом энергетического обмена — дыханием. Орга­низмы, добывающие энергию с помощью дыхания, то есть аэробным путем, занимают господствующее поло­жение над микроорганизмами анаэробами. Усовершен­ствование обмена веществ сопровождалось и усложне­нием организации живых организмов.