Вероятные источники энергии первичной химической эволюции

Таблица 1

Липиды – сложные эфиры жирных кислот и какого – либо спирта (сложный эфир – это продукт реакции между кислотой и спиртом: кислота + спирт ® сложный эфир + вода). Липиды образуются из жирных кислот с формулой R – COOH, где R – атом водорода или особый радикал типа – CH3 – C2H5 и другие.

Углеводы (сахариды) – вещества с общей формулой Cx(H2O)у, где х и у могут иметь разные значения. Многие углеводы легко окисляются и являются мощными восстановителями.

Углеводы делятся на три группы: моносахариды, дисахариды и полисахариды.

Моносахариды – это простые сахара, имеющие формулу (CH2O)n, где n может изменяться от 3 до 9. Они являются источником энергии и благодаря высокой химической активности и структурному разнообразию играют роль строительных блоков для синтеза более крупных молекул. Наиболее распространенные формы моносахаридов – глюкоза, галактоза и фруктоза C6H12O6.

Дисахариды образуются путем соединения двух моносахаридов. Среди дисахаридов широко распространены мальтоза (глюкоза + глюкоза), лактоза (глюкоза + галактоза) и сахароза (глюкоза + фруктоза).

Полисахариды как соединения многих моносахаридов играют роль резерва энергии и строительного материала (целлюлоза). Их типичные формы – крахмал, гликоген, целлюлоза, каллоза, инулин. Переход этих соединений в раствор резко ускорил процесс формирования более сложных соединений.

Рис. 1. Схема образования органических молекул из неорганического вещества

Как показали эксперименты, в процессе размораживания липиды претерпевают самосборку, образуя в водоеме стабильные микросферы диаметром от 10 до 50 мкм. Такие сферы получили название коацерватных капель (впервые их наблюдал А.И. Опарин, придавая им важнейшее значение в переходе от неживой природы к предшественнице живой клетки).

В 1953 г. Стэнли Миллер в ряде экспериментов моделировал условия, предположительно существовавшие на первобытной Земле. В созданной им установке (рис. 3) ему удалось синтезировать многие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряд аминокислот, аденин и простые сахара, такие как рибоза. После этого Орджел в Институте Солка в сходном эксперименте синтезировал нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты). Позднее возникло предположение, что в первичной атмосфере в относительно высокой концентрации содержалась двуокись углерода. Недавние эксперименты, проведенные с использованием установки Миллера, в которую поместили смесь CO2 и H2O, и только следовые количества других газов, подтвердили результаты Миллера. Теория Опарина завоевала широкое признание, но она не решает проблемы, связанные с переходом от сложных органических веществ к простым живым организмам. Именно в этом аспекте теория биохимической эволюции представляет общую схему, приемлемую для большинства биологов.

Опарин полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежала белкам. Благодаря амфотерности белков они способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов – притягивают к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от водной фазы, в которой они суспензированы, и образовывать своего рода эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом приводит к отделению коллоидов от среды – процесс, называемый коацервацией. Богатые коллоидами коацерваты, возможно, были способны обмениваться с окружающей средой веществами и избирательно накапливать различные соединения, особенно кристаллоиды. Коллоидный состав данного коацервата, очевидно, зависел от состава среды. Разнообразие состава “бульона” в разных местах вело к различиям в составе коацерватов и поставляло таким образом сырье для “биохимического естественного отбора”.

Предполагается, что в самих коацерватах входящие в их состав вещества вступали в дальнейшие химические реакции; при этом происходило поглощение коацерватами ионов металлов и образование ферментов. На границе между коацерватами и средой выстраивались молекулы липидов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивавшей коацерватам стабильность.

В результате включения в коацерват предсуществующей молекулы, способной к самовоспроизведению и внутренней перестройки покрытого липидной оболочкой коацервата, могла возникнуть первичная клетка. Увеличение размеров коацерватов и их фрагментация, возможно, вели к образованию идентичных коацерватов, которые могли поглощать больше компонентов среды, так, что этот процесс мог продолжаться.

Такая предположительная последовательность событий должна была привести к появлению примитивного самовоспроизводящегося гетеротрофного организма, питавшегося органическими веществами первичного бульона. В описанном сценарии перехода от сложных органических веществ к простым живым организмам существует много белых пятен. Астроном Фред Хойл недавно высказал мнение, что мысль о возникновении жизни в результате описанных выше случайных взаимодействий молекул “столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке Боинга–747”. Здесь нет даже намека на то, как возникла способность к самовоспроизведению. Но, несмотря на это, рассмотренная гипотеза остается одним из самых перспективных направлений исследований формирования жизни.

Существует достаточно много моделей “добиологической” эволюции. Однако все они являются только первыми шагами на пути познания. Академик Б.С. Соколов по этому поводу высказывался следующим образом: “Путь, который прошел органический мир от бактерий до нас с вами, более прост, чем путь, который связал сложные, но предбиологические молекулы с биологической эволюцией, сформировав первых самовоспроизводящихся прокариот...” Как указывал в 1912 г. русский естествоиспытатель К. А. Тимирязев, «..мы вынуждены допустить, что живая материя осуществлялась так же, как и все остальные процессы, путем эволюции... Процесс этот, вероятно, имел место и при переходе из неорганического мира в opганический». В более широком смысле эволюцию мира, в течение которой происходит и появление жизни как феномена нового состояния материи, необходимо увязывать с космологической эволюцией в целом.

Ее этапы можно представить себе следующим образом:

БВ®излучение + вещество®Галактики, Вселенная® ®планеты®первичная атмосфера®вторичная атмосфера, гидросфера® ®образование органических веществ, аминокислот®

®коацерватные капли – естественный отбор, мутация®

®ДНК – РНК®белок.