Возникновение жизни
Признаки деятельности живых организмов обнаружены многократко в докембрийских породах, рассеянных по всему земному шару. Так, в протерозойских отложениях, датируемых более 1500 млн. лет, обнаружены синезеленые. Настоящей сенсацией стала находка в Южной Африке (местечко Фиг-Три) пород с деятельностью микроорганизмов, возраст которых определяется в 3 млрд. лет.
Процессы, предшествовавшие возникновению жизни на Земле, несомненно, совершались на основе тех же физических и химических законов, которые действуют на Земле и ныне. Этот естественнонаучный принцип актуализма позволяет утверждать, что происхождение жизни связано с последовательным и вероятным протеканием определенных химических реакций. Физические и химические свойства воды (высокий дипольный момент, вязкость, теплоемкость и т. д.) и углерода (трудность образования окислов, способность к восстановлению и образованию линейных соединений) определили то, что они оказались у колыбели жизни. Химические и физические свойства различных атомов и молекул делали обязательными взаимодействия между ними. Говоря о возникновении жизни путем сложных химических преобразований атомов и молекул, важно иметь в виду, что эти процессы не имели единичного и неповторяемого характера, а могли протекать и, видимо, протекали в разных условиях и на разных участках поверхности Земли. Каковы же основные этапы химической эволюции жизни?
Из водорода, азота и углерода при наличии свободной энергии на Земле возникали сначала не сложные молекулы: аммиак, метан и другие углеводороды. В дальнейшем эти несложные молекулы заносились в первичный океан и там вступали в новые связи между собой и с другими веществами.
С особым успехом, видимо, протекали процессы роста молекул при наличии группы —N = C = N—. Эта группа таит в себе большие химические возможности к росту как за счет присоединения к атому углерода атома кислорода, так и путем реагирования с азотистым основанием.
С определенного этапа химической эволюции предбиологических систем участие кислорода в этом процессе стало необходимым. В атмосфере Земли кислород накапливается путем разложения воды и водяного пара под действием ультрафиолетовых лучей Солнца. Большая часть водорода, образуемого при этом, улетучивалась из атмосферы. Все это способствовало постепенному насыщению атмосферы Земли кислородом. Для превращения восстановленной атмосферы первичной Земли в окисленную потребовалось, наверно, не меньше 1 —1,2 млрд. лет. С момента насыщения атмосферы кислородом ранее образованные восстановленные соединения начали окисляться, а именно NH3 до N03, СН4 — до СО2, H2S — до SO3. В ряде случаев при окислении СН4 образовались метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота, НСООН и т. д., которые вместе с дождевой водой попадали в первичный океан. Эти вещества, вступая в реакции с аммиаком и цианистым водородом, дали начало аминокислотам и соединениям типа аденина.
В ходе таких и аналогичных им реакций воды первичного океана насыщались разнообразными веществами, образуя «первичный бульон».
Возможность синтеза аминокислот и других низкомолекулярных органических соединений из неорганических элементов и соединений доказана экспериментально. Так, пропуская электрические разряды через смесь газов метана и аммиака при наличии водяного пара, удалось получить ряд таких сравнительно сложных соединений, как глицин, алании, аспарагиновая кислота, а-аминомасляная кислота, янтарная и молочная кислоты и другие низкомолекулярные органические соединения. Возможность такого синтеза была доказана в многочисленных экспериментах с использованием других соотношений исходных газов и видов источника энергии. Эксперименты в этом направлении оказались перспективными и для выяснения происхождения других веществ. Осуществлен синтез аденина, гуанина, аденозина, аденозинмонофосфата,. аденозиндифосфата и аденозинтрифосфата. Путем реакции полимеризации из простых молекул могли быть образованы и более сложные молекулы: белки, липиды, нуклеиновые кислоты и их производные.
Не останавливаясь на других особенностях начальных стадий эволюции жизни, заметим, что одной из наиболее важных ее ступеней следует признать объединение способности к самовоспроизведению полинуклеотидов с каталитической активностью полипептидов. При возникновении жизни необходимо было участие как. полинуклеотидов, так и полипептидов. Свойства каждого из них нуждались в дополнении свойствами другого. Так, способность нуклеиновых кислот к конвариантной редупликации не могла быть в полной мере реализована без каталитической функции белков. К тому же синтез самих белков путем удлинения пептидной цепочки не имел бы большого успеха без передачи ему стабильности хранением о нем «информации» в нуклеиновых кислотах. Наибольшие шансы на сохранение имели в ходе предбиологического отбора те, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению.
В дальнейшем усложнении обмена веществ существенную роль должны были играть катализаторы — различные органические и неорганические вещества и пространственно-временное разобщение начальных и конечных продуктов реакции. Все это не могло возникнуть до появления мембран. Образование мембранной структуры считается самым «трудным» этапом химической эволюции жизни. Хотя объединением полинуклеотидов и полипептидов в какой-то степени и была достигнута возможность самосборки самой системы, однако истинное существо (в виде клетки, пусть даже самой примитивной) не могло оформиться до возникновения мембранной структуры.
Биологические мембраны, как известно, составляют агрегаты белков и липидов, способные разграничить вещества от среды и придать упаковке молекул прочность. Мембраны могли возникнуть или в ходе формирования коацерватов (23), образующихся в воде при соприкосновении двух слабо взаимодействующих полимеров, или при адсорбции полимеров на поверхности глин.
Для перехода от коацерватов к истинно живому существу необходимо было не только наличие мембран, но и катализаторов химических процессов-ферментов. До этого момента способность к самовоспроизведению не обязательно могла быть связана с точной редупликацией нуклеиновых кислот. Самоудвоение их могло бы быть результатом постоянства соотношения скоростей разных реакций обмена веществ, идущих с участием коферментов — катализаторов небелковой природы. В последующем, видимо, шел предбиологический отбор коацерватов и по способности накопления белковоподобных полимеров, ответственных за ускорение химических реакций. Результаты такого отбора фиксировались в строении нуклеиновых кислот. Все эти изменения привели к возникновению циклического обмена, характерного для живых существ.