1 год назад
Нету коментариев

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.