Масштаб времени

Возраст Солнца около 5 млрд. лет. Земля образовалась и начала уплотняться около 4,8 млрд. лет назад. Земная кора образовалась и начала охлаждаться около 4 млрд. лет назад. Образование океанов и накопление первичной восстановительной атмосферы началось около 3,5 млрд. лет назад. В этой первичной восстановительной атмосфере началось образование исходных органических молекул, таких, как формальдегид и цианистый водород. Затем эти молекулы превратились в аминокислоты, сахара и органические основания, необходимые для образования белков и нуклеиновых кислот; вероятно, это произошло в океане. Таким образом, образование в океане сложных органических молекул Должно было произойти менее 3,5 млрд. лет назад.

Наиболее знаменательным моментом в этой истории является момент возникновения жизни. Из свазилендского сланца были выделены частицы, напоминающие бактерии, возраст которых определен в 3,2 млрд. лет. Это значит, что первые формы жизни возникли более 3,2 млрд. лет назад. Принимая во внимание возраст океанов, следует считать, что живые существа должны были образоваться сразу же после того, как появились составляющие их молекулы.

Кирилл Поннамперума, ученый, обнаруживший аминокислоты Внеземного происхождения в метеорите, полагает, что проблема доклеточной организации имеет первостепенное значение, поскольку ее решение позволяет перебросить мост через пропасть, лежащую между химической эволюцией и эволюцией биологической.

"В сущности, проблема состоит в том, чтобы представить себе, как имеющие в настоящее время большое значение для биологии химические соединения самопроизвольно организовались в трехмерную матрицу, которая в конце концов приобрела свойство легко приспосабливаться к условиям жизни".

К числу наиболее интересных работ в этой области относятся работы школы А. И. Опарина, одного из пионеров научного изучения происхождения жизни на молекулярном уровне. Около 50 лет назад, до того, как было установлено преобладание восстановительных процессов во Вселенной, Опарин постулировал, что наличие восстановительной атмосферы является необходимым условием добиологического органического синтеза на Земле. Это было за 30 лет до блистательного осуществления синтеза аминокислот Стенли Миллером.

Опарин показал, что при достижении критической концентрации белков и нуклеиновых кислот в воде они выделяются из раствора в виде крошечных капелек (называемых коацерватами). Концентрация белков и нуклеиновых кислот в этих капельных гораздо выше, чем в исходном растворе, и капельки коацервата имеют гораздо более высокую степень организации. Кроме того, при добавлении фермента^* происходит его избирательная адсорбция на капельках коацервата, где фермент становится более активным, чем в растворе. Это очень интересно, поскольку то же самое наблюдается в живых клетках, однако в данном случае это происходит в гораздо более простой системе.

^* (Фермент - это белок, действующий как катализатор обычно для определенной, химической реакции.)

В книге "Происхождение добиологических систем", выпущенной в 1965 г. [3], Опарин писал:

"Жизнь характерна тем, что она не просто размазана в пространстве, но представлена индивидуальными системами - организмами, отделенными от внешнего мира. Появление таких существ могло произойти только в результате длительной эволюции, при постепенном совершенствовании гораздо более простых исходных систем, выделившихся из первичного однородного бульона. В этом бульоне, как. и в простом водном растворе органических веществ и минеральных солей, химические реакции не имеют специфической направленности, а идут независимо во всех направлениях, хаотически пересекаясь. Однако в живых организмах отдельные химические реакции строго координированы и происходят в определенной последовательности, которая в целом образует систему биологического метаболизма, направленного на непрерывное самосохранение, рост и самовоспроизведение всей системы при данных условиях существования".

"Задача состоит в том, - продолжает Опарин, - чтобы экспериментально обнаружить вероятные направления развития таких первичных систем, которые могли бы взаимодействовать с окружающей средой так же, как открытые системы, и в которых химические превращения со временем стали бы более организованными, приближаясь в процессе их эволюции к биологическому порядку метаболизма".

Опарин показал, что при полимеризации нуклеотида в растворе получается лишь характерная агрегация полинуклеотидов. Однако при проведении полимеризации в присутствии другого полимера, например белка, полинуклеотиды образуют полимолекулярные комплексы с этим вторым полимером.

"Эти комплексы, выделившись из окружающего раствора, по-видимому, представляли собой исходные системы, взаимодействовавшие с окружающей их средой в процессе эволюции и приведшие к возникновению первичных живых организмов, обладавших метаболизмом".

Опарин не считает, что открытые им капельки коацервата станут живыми организмами в лабораторных условиях. Он имеет в виду, что процесс коацервации мог явиться одной из стадий на длительном пути, связывающем химическую эволюцию с эволюцией биологической.

"Таким образом, - говорит Опарин, - мы имеем модель открытых многомолекулярных систем, которые в результате ускорения происходящих в них процессов могут расти за счет окружающего раствора или, наоборот, подвергаться дезинтеграции. Очевидно, что системы, подобные нашим модельным коацерватам, наряду с тем, что они могут существовать в течение длительного времени, могут также увеличиваться, вырастая в растворах веществ, наличие которых в первичном бульоне, существовавшем на Земле, можно представить даже в изобилии. Едва ли отдельные капли постоянно росли бы как целое. В условиях первичной гидросферы, существовавшей на Земле, они неизбежно дробились бы на части под действием внешних механических сил, например волн и течений, как дробятся капельки эмульсии при встряхивании. Такие системы, взаимодействуя с внешней средой, увеличиваясь в размере и по числу, со временем усовершенствовались бы под влиянием естественного отбора и так пришли бы к собственному метаболиту".

В одном из опытов Опарин в капельку коацервата вводит картофельную фосфорилазу. [Картофельная фосфорилаза - это фермент, который катализирует полимеризацию глюкозо-1-фосфата (сахар, состоящий из шести атомов углерода), приводящую к образованию крахмала.] Затем в жидкость, окружающую каплю коацервата, добавляли глюкозо-1-фосфат. Он диффундировал в каплю, вступал в контакт с картофельной фосфорилазой и полимеризовался, образуя крахмал. Крахмал, накапливаясь внутри капли, вызывал увеличение ее размеров втрое по сравнению с первоначальным объемом за период менее двух часов.

После этого в каплю вводили второй фермент - β-амилазу. Этот фермент расщепляет гигантские молекулы крахмала на звенья "диглюкозы", или мальтозы, как ее называют, т. е. сахара, состоящего из двенадцати атомов углерода. Молекулы мальтозы диффундируют из капли коацервата^*, и капля сжимается до первоначального размера (рис. 2.1).

^* (Коацерват - это упорядоченный агрегат, состоящий из коллоидных капелек, удерживаемых вместе электростатическими силами.)

Рис. 2.1. Диаграмма опыта Опарина, демонстрирующая действие фермента в каплях коацервата. PPh - фермент картофельная фосфорилаза; AM - фермент β-амилаза; глюкозо-1-Р - глюкозо-1-фосфат

По-видимому, ключом к объяснению возникновения жизни на Земле является понимание явления, известного под названием "естественный отбор". Естественный отбор должен был лежать в основе перехода к "метаболизму" от набора случайных химических реакций. Метаболизм (обмен веществ) присущ только живым организмам, он представляет собой ряд молекулярных превращений, в результате которых организм получает энергию для жизни, роста и воспроизводства.