Теория абиогенеза

Теория абиогенеза объясняет происхождение жизни путем длительной химической эволюции, которая протекала в условиях ранней Земли, и которые на сегодняшний день на нашей планете не существуют. Абиогенез, также как гипотеза самозарождения жизни, предполагает возникновение живого из неживого, однако дает вполне научное объяснение, ряд его предположений подтверждены опытами. Именно поэтому абиогенез можно назвать теорией, а не гипотезой.
Под химической эволюцией в теории абиогенеза подразумевается возникновение сначала простых органических веществ из неорганических, затем — сложных органических и биополимеров, далее — их определенная самоорганизация, приведшая в конечном итоге к появлению жизни.
Впервые гипотезу абиогенеза высказал и обосновал А. И. Опарин в 1924 году, позже (в 1928 г.) к схожим выводам пришел Дж. Холдейн. С тех пор ее положения дорабатывались многими учеными. Однако до сих пор нет однозначного сценария возникновения жизни, особенно много пробелов и различных взглядов в той его части, которая касается перехода от сложных молекулярных систем к организмам, проявляющим всю совокупность свойств живого. Остается во многом непонятно, как и почему нуклеиновые кислоты вдруг стали кодировать последовательность аминокислот полипептидов. Что было первично, лежало в основе зарождающейся жизни — нуклеиновые кислоты или белки?
Земля появилась около 4,5 млрд лет назад. Температура молодой планеты превышала несколько тысяч градусов, легкие газы (водород, кислород, гелий и др.) не удерживались и улетали в космос. Вода на планете могла находиться только в парообразном состоянии. Под действием сил гравитации более тяжелые элементы и соединения формировали ядро, мантию и земную кору. Эти процессы сопровождались подвижками коры и вулканической активностью.
Постепенно температура планеты снижалась. Когда она опустилась ниже 100 градусов, вода стала конденсироваться, начались ливни, сопровождаемые мощными грозами. Поскольку температура на протяжении какого-то времени оставалась достаточно высокой, циклы испарения и конденсации больших количеств воды повторялись огромное множество раз.
Атмосфера ранней Земли была восстановительного, а не окислительного как сейчас, типа. В ней, помимо паров воды, присутствовали оксиды углерода, метан, аммиак и др. Свободного кислорода и образуемого им озонового слоя не было, поэтому ультрафиолетовое излучение Солнца свободно проникало на Землю. Под действием его энергии, а также энергии молний, тепловой энергии планеты, радиоактивного распада вещества активно реагировали между собой. В ряде случаев синтезировались простейшие органические соединения, из которых, по всей видимости в воде, образовывались более сложные (аминокислоты, нуклеотиды, липиды, углеводы).
В 1953 г. Миллер и Юри опытным путем доказали возможность такого синтеза, в специальной установке смоделировав условия древней Земли.
Также в теории абиогенеза рассматривается вариант, что основная масса простых органических веществ была занесена из космоса с космической пылью, которая попадала на Землю в больших количествах. Много органики выделялось при извержении вулканов.
Так или иначе, океан, покрывающий Землю, оказался насыщенным органикой. Его называют «первичным бульоном».
В разных местах планеты условия были несколько различны. Возможно на глиняных участках могли протекать реакции полимеризации. В результате из аминокислот образовывались белки, а из нуклеотидов — нуклеиновые кислоты. Полимеры смывались дождями в океан. Первичный бульон становился все более концентрированным.
Амфотерность белковых молекул позволяет им в растворах образовывать коллоиды (суспензию, взвеси). При этом белковые частицы обособлены от водной среды гидроидной оболочкой.
Белки могли объединяться с образованием так называемых коацерватов. В коацерват могли быть захвачены не только белковые, но и молекулы других веществ (ионов металлов, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот и др.). Некоторые коацерваты обладали свойством избирательного поглощения веществ, а из них выделялись продукты протекающих в них химических реакций. Можно предположить, что некоторые коацерватные капли при достижении определенных размеров разбивались на части, каждая из которых сохраняла примерно такой же химический состав.
В теории абиогенеза кроме понятия коацервата, есть понятие протобионта, в которое вкладывают уже больше свойств живого (способность к саморегуляции и самовоспроизведению). Коацерватов в те времена образовывалось огромное количество, и они были разными, так как химический состав в разных местах планеты был не одинаков. Менее устойчивые рано или поздно разрушались, а более стабильные оставались и продолжали свою химическую эволюцию. Их то и можно назвать протобионтами.
На пути от коацерватов к живым клеткам должны были появиться три важных составляющих: матричный синтез, ферментативная функция белков, мембрана.
Мембрана могла образоваться из слоя липидов, покрывающих воду. Когда на воде появлялась рябь, от нее отрывались капли. Их поверхность представляла собой слой липидов, а внутри мог оказаться коацерват. Когда такая капля снова падала на воду, то покрывалась уже вторым слоем липидов. Как известно, мембрана живых организмов представляет собой двойной липидный слой.
Однако в состав мембран современных клеток входят еще два белковых слоя, один находится с внешней, а другой — с внутренней стороны. Можно предположить, что в первичном бульоне к покрывающей воду липидной пленке снизу за счет гидрофильных взаимодействий присоединялись свободные белки. Когда капля отрывалась, то одни слой белков оказывался внутри нее. Когда же капля падала, второй белковый слой оказывался снаружи.
Ферментативная функция белков могла сформироваться за счет случайного поглощения некоторыми коацерватами ионов металлов (именно они могли сделать из белка фермент, катализирующий ту или иную реакцию).
Самоудвоение нуклеиновых кислот могло сначала происходить без участия белковых ферментов. В 1982 г. Т. Чек открыл рибозимы — молекулы РНК, обладающие ферментативной активностью.
Основной проблемой теории абиогенеза является объяснение механизма того, как РНК стала кодировать синтез белков. Возможно в молекуле РНК случайным образом некоторая последовательность нуклеотидов кодировала полезную для нее последовательность аминокислот. Этот полипептид катализировал образование новых нуклеиновых кислот. И таким образом возникла система с обратной связью, когда РНК кодирует белок, а белок увеличивает количество РНК.
То, что первыми нуклеиновыми кислотами зарождающейся жизни были именно молекулы РНК, а не ДНК, признается большинством ученых. Скорее всего ДНК возникла в живом позже как более устойчивая и поэтому более пригодная к хранению информации молекула.
Появление на Земле химической системы, состоящей из нуклеиновых кислот, способных к репликации и кодированию белков, выполняющих ферментативную функцию, отграничение этой системы от окружающей среды с помощью мембраны означало появление жизни, которая начала развиваться уже по законам биологической эволюции.