Биология в лицее

 Современные гипотезы происхождения жизни 

Начало современным представлениям о возникновении живого было положено отечественным ученым-биохимиком А. И. Опариным. В 1924 г. он опубликовал труд «Происхождение жизни», в котором представил естественнонаучную гипотезу о зарождении жизни на Земле.

По гипотезе Опарина, жизнь зародилась на Земле в результате целого ряда химических превращений, осуществлявшихся в течение очень длительного времени (миллиарды лет) в особых условиях молодой, тогда еще только формировавшейся планеты.

Опарин подчеркивал, что первые живые организмы (предорганизмы) в виде небольших белковых тел, названных им коацерватными капельками, а затем коацерватами, появились в «первичном бульоне» молодой планеты путем целого ряда физических и химических процессов, осуществлявшихся на протяжении очень длительного периода в истории Земли. Такие коацерваты фактически служили местом встречи и взаимодействия простых белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов, независимо возникших до этого в условиях молодой планеты и содержавшихся в ее внешней среде.

А. И. Опарин полагал, что в массе коацерватных капель должен был идти отбор наиболее устойчивых в существовавших условиях. Среди коацерватов в процессе дальнейшего естественного отбора оставались лишь те, которые при растекании на дочерние коацерваты сохраняли свои свойства, т. е. были способны к самовоспроизведению. С приобретением этих свойств коацерватная капля уже могла считаться простейшим живым организмом. Этот процесс естественного отбора шел миллионы лет.

Гипотеза происхождения живого, впервые выдвинутая А. И. Опариным, долгое время считалась основной и завоевала широкое признание. Однако она оставляла нерешенным вопрос перехода от сложных органических веществ к простым живым организмам. По мнению Опарина, главную роль играют белки, именно они дали начало обмену веществ, обеспечив обособление коацерватных капелек друг от друга и от окружающей среды. Ученый утверждал, что белковые тельца (коа-церваты) явились первыми живыми организмами — предорганизмами. Но эта гипотеза не давала объяснения способности к самовоспроизведению.

Для решения этого вопроса английский биохимик и генетик Джон Холдейн в 1929 г. выдвигает «генетическую гипотезу о происхождении живого»: первоосновой появления жизни послужило возникновение дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). По гипотезе Холдейна в основе создания простейших живых систем (протобионтов) лежат не белки, а нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК), поскольку они служат матричной основой синтеза белков. Холдейн опирался на высказанную в 1927 г. американским ученым Г. Д. Мёллером идею о том, что молекулы ДНК способны содержать «биологическую информацию» и могут образовывать мутации, а следовательно, накапливать полезные изменения; благодаря молекулам ДНК протобионты (протоклетки) и получили способность к самовоспроизведению. Решение этого вопроса они связывали также с изучением путей синтеза ферментов и воспроизводства генов.

Сходные с взглядами А. И. Опарина идеи в конце 50-х гг. высказал английский ученый — физик Джон Бернал. Подобную точку зрения излагал и отечественный ученый Н. Г. Холодный. По его мнению, первоначально образовывались не белки, а углеводороды, и это произошло не в Мировом океане, а на мелководьях после появления суши. Американец Сидней Фокс утверждал, что на первобытной Земле в лужах, остававшихся после отлива, при испарении воды могли возникать из аминокислот некие шарообразные структуры — «микросферы», покрытые сверху белками. Эти образования Фокс называл протеиноидами и считал, что они, подобно ферментам, могли катализировать определенные химические реакции.

Дальнейшие исследования А. И. Опарина и многих других ученых подтвердили и развили идею о возникновении живой материи на Земле в результате длительной эволюции химических соединений.

Согласно современным взглядам, живое первоначально зародилось как результат химической эволюции, т. е. абиогенно, а усложнение живого и появление большого разнообразия живого на Земле произошло в итоге биологической эволюции, т. е. биогенно, на более поздней стадии, идущей вслед за химическим этапом развития жизни в истории нашей планеты. Опарин пишет: «Все более очевидным становится тот факт, что дарвиновская (т. е. биологическая) эволюция — это лишь сияющая вершина айсберга, почти девять десятых которого скрыто от нашего взгляда».

Опыты, поставленные в 50-х гг. XX в. американским биохимиком Стенли Миллером, а позднее и многими другими исследователями, показали, что из смеси газообразного водорода, аммиака, метана и водяных паров, из которых состояла первичная бескислородная атмосфера, могут образовываться различные органические соединения, среди них мочевина, цианистый водород, спирты, альдегиды, сахар, аминокислоты (глицин, аланин, аспаргиновая кислота и др.), органические кислоты (гликолевая, молочная, янтарная, уксусная, муравьиная и др.) и небольшие нуклеотидные цепи из шести мономеров (простые нуклеиновые кислоты). Все это подтверждало, что органические вещества могли образовываться на первобытной Земле без участия живых организмов.

Вопрос о том, какой из этих двух путей привел к возникновению первых живых организмов (на основе белковых коацерватов — по гипотезе А. И. Опарина, или нуклеиновых кислот — по гипотезе Дж. Холдейна), биологией еще не решен. Но и та и другая гипотезы в целом сходным образом определяют этапы возникновения жизни на Земле. Таких этапов условно выделяют четыре:

1) синтез простых (низкомолекулярных) органических соединений из неорганических;

2) возникновение сложных органических соединений в виде полимерных цепей белков и нуклеиновых кислот;

3) образование обособленных агрегатов (комочков) органических веществ в виде коацерватов или протеиноидов, отделенных от внешней среды белковыми мембранами;

4) появление простейших клеток, обладающих свойствами живого организма (самовоспроизведение). Это последний этап в создании жизни на Земле.

Первые три этапа отражают период химической эволюции в развитии жизни, а четвертый этап является началом биологической эволюции живого. Сам переход комочка химических соединений в живую клетку пока экспериментом не доказан. Поэтому та и другая теории считаются гипотезами.

Эволюция химических соединений в направлении жизни (биопоэз) началась с момента формирования планеты Земля, около 5—7 млрд лет назад. Этот этап эволюции, приведший в конце концов к формированию первых организмов, занял около 1 млрд лет. Ученые считают, что первые формы живого на Земле появились более 3500 млн лет назад.

Существуют и другие гипотезы о происхождении жизни на Земле. Все они не противоречат друг другу в главном: живое возникло в результате целого ряда физических и химических превращений, осуществлявшихся на протяжении очень длительного времени в особых условиях молодой, только лишь формировавшейся планеты Земля.

Теория Опарина — Холдейна, таким образом, является теорией химической эволюции. 

Суть теории сводится к следующему.

• Первобытная Земля имела атмосферу, лишённую кислорода.
• Когда на эту атмосферу стали воздействовать различные естественные источники энергии, например грозы и извержения вулканов, то при этом начали самопроизвольно формироваться основные химические соединения (аминокислоты, жирные кислоты, спирты и др.), необходимые для органической жизни.
• С течением времени молекулы органических веществ накапливались в древнем океане в значительных концентрациях. Происходил синтез полимеров (пептидов, нуклеиновых кислот) из синтезировавшихся ранее простых органических соединений. Это было возможным, поскольку никаких потребителей органического вещества ещё не было. Бескислородная атмосфера препятствовала окислению этих веществ, их «порче». Холдейн назвал такое состояние древнего океана «первичным бульоном».
• Некоторые из этих полимерных молекул оказались способны к самовоспроизводству.
• Взаимодействие между возникшими нуклеиновыми кислотами и пептидами в конце концов привело к возникновению генетического кода.
• В дальнейшем эти молекулы объединились, и появились первые живые клетки — протобионты (пробионты).
• Первые клетки были гетеротрофами, они не могли воспроизводить свои компоненты самостоятельно и получали их из «первичного бульона». Но со временем все органические соединения из «бульона» были использованы, и клетки были вынуждены воспроизводить их самостоятельно. Так появились автотрофные организмы.
• Благодаря процессу естественного отбора из этих первых клеток появились все живые организмы, существующие на Земле.

< Предыдущая страница "История представлений о возникновении жизни"

Следующая страница "Физико-химическая эволюция в развитии биосферы" >