Основная сложность в решении вопроса относительно зарождения жизни на Земле объясняются следующим фактом: для саморепродукции нуклеиновых кислот, которые являются основой генетического кода, необходимы белки. В свою очередь для синтеза белков необходимы нуклеиновые кислоты.
Мысль о том, что и белки-ферменты, и нуклеиновые кислоты возникли единовременно, а затем соединились в единую систему в протобионте, после чего началась их одновременная взаимосвязанная эволюция, являлась бы идеальным компромиссным вариантом. Однако она не получила признания со стороны ученых ввиду глубоких различий между белковыми и нуклеиновыми макромолекулами. Этим объясняется невозможность их одновременного появления в ходе одного скачка химической эволюции. Из этого следует невозможность их сосуществования в протобиологической системе.
На основании этого большую часть ХХ века между учеными возникали дискуссии о том, что появилось раньше – нуклеиновые кислоты или белки. Разногласия возникали и относительно того, когда произошло их объединение в единую систему, которая имеет способность передавать генетическую информацию и регулировать биосинтез белков, одним словом, в систему, которая является живым организмом. Возникли понятия генобиоза и голобиоза.
В зависимости от того, что считается первичным, различают два методологических подхода к вопросу возникновения жизни:
1. Гипотезы, относящиеся к группе теорий генобиоза.
Генобиоз – методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода.
2. Гипотезы, относящиеся к группе теорий голобиоза.
Голобиоз – методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на идее первичности структур, наделённых способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма.
Концепция «генобиоза» (информационная) появилась в 50-е гг. в связи с работами Холдейна. Он считал, что первичная среда – макромолекулярная система (типа гена), способная к саморепродукции, он назвал ее «голым геном». Пастер тоже рассматривал зарождение живого как возникновение дисимметричной молекулы из симметричной неживой. Американский ученый Г. Блюм (1951) обратил внимание на то, что на ранних этапах эволюции жизни и фотосинтез должен отличаться от современного. Г. Гаффон делил эволюцию энергетики организмов на пять этапов, связанных с последовательной эволюцией внешних условий, в частности, изменением состава солнечного излучения, достигающего земной поверхности (1962). Примитивный фотосинтез использовал ультрафиолетовое излучение, а по мере образования озонового слоя живое постепенно приспосабливалось к фотонам меньшей энергии, но в большем количестве.
Концепция голобиоза, признающая первичность белков, не потеряла своего значения. Полипептиды обладают каталитическими свойствами (С. Кауфман, 1993). Теория Опарина (1957-1960) включает разработку эволюции процессов обмена веществ. Он считал, что механизм запасания солнечной энергии с помощью хлорофилла достаточно сложен и не мог возникнуть быстро, как и процесс окисления некоторых неорганических соединений (серы или железа), используемых микроорганизмами для биосинтеза. Как сторонник первичного обмена веществ, протекающего в коацерватной системе, он считал появление в ней нуклеиновых кислот завершением эволюции в итоге конкуренции протобионтов. Из-за амфотерности молекул белка образовывались коллоидные гидрофильные комплексы, создавая оболочку типа эмульсии. При слиянии таких комплексов друг с другом образуются коацерваты (от лат. coacervatus – накопленный, собранный), отделяющие коллоиды от остальной водной среды. Различные коацерваты являлись сырьем для биохимического естественного отбора. В них происходили дальнейшие химические реакции, при поглощении ими ионов металлов образовывались ферменты. Вдоль границ выстраивались сложные углеводороды типа мембран клетки, обеспечивающие стабильность.
Многие ученые признают верной эту гипотезу происхождения жизни и ищут детальное подтверждение ей. Как результат существования единого генетического кода оказалась возможной передача наследственных признаков у бактерий не непосредственно от клетки к клетке, а через бактериофагов. Такие данные получил советский биохимик С. М. Гершенсон (1965). Эта идея стала использоваться в генотерапии – исправление наследственных дефектов ДНК при переносе с помощью вирусов нормальной ДНК в дефектные клетки. Понятие конкуренции гиперциклов, или циклов химических реакций, которые приводят к образованию белковых молекул, распространил на процессы, которые должны были происходить при эволюционном скачке, кроме принципа дарвиновского отбора, и ввел Эйген в своей знаменитой работе «Самоорганизация материи в ходе химической эволюции» (1971).
Гипотезы голобиоза и генобиоза до 1980-х годов находились в состоянии противостояния. Позже большую популярность стала приобретать теория генобиоза. Начало живого – неравновесные диссипативные (рассеянные) структуры или открытые микросистемы с мощным ферментативным аппаратом, являющимся катализатором. Этот биоид подвержен эволюции из-за переходов (мутаций) между видами к более устойчивой структуре. Такими могут быть кристаллы глины, считал А.Дж. Кернс-Смит. Возникновение асимметрии в живой материи Дж. Трэнтер связывал с многократным усилением исчезающе малых асимметрий слабого взаимодействия в кристаллических структурах глин. Холдейн обратился к идее первичности макромолекулярной системы с функциями генетического хода. Эту его последнюю концепцию называют «необиозом ».
Сначала нуклеотидная система была голой, т.е. находилась в комплексе с протеинами и обеспечивала свою саморепродукцию. Но в абиотических условиях сразу «зародился» нуклеиново-протеиновый комплекс, так как полинуклеотиды без ферментов не способны к саморепродукции. Общее признание в этой концепции получила идея, согласно которой блоками макромолекулы была ДНК или РНК. В 80-е гг. было обнаружено, что РНК способна к самовоспроизведению без посредничества белков – ферментов. В 1989 г. сформировалось представление о древней РНК, совмещающей черты фенотипа и генотипа (Д. Джойс), что реализовывало идею Дарвина об эволюции ее в ДНК с утратой самостоятельных каталитических функций. Но вскоре оказалось, что в условиях, существовавших на древней Земле, синтез РНК протекал бы с трудом. Кроме того, непонятно участие довольно редкого элемента – фосфора – в качестве компонента нуклеиновых кислот.
В 1981 г. М. Эйген продемонстрировал, что в растворах мономеров нуклеотидов в присутствии фермента полимеразы могут синтезироваться полимерные молекулы РНК, способные к репликациям, мутациям и даже к борьбе за существование с молекулами-предками. В 1974 г. Л. Орджел экспериментально показал, что нуклеотидные мономеры полимеризуются и без полимераз, образуя в конечном итоге РНК, если в растворе имеется «затравка» этой молекулы. Таким образом, доказана автономность и возможность образования на Земле органических веществ, лежащих в основе метаболизма живых существ, и нуклеиновых кислот, носителей наследственной информации. На базе экспериментов Эйгена и Орджела сформировалась гипотеза возникновения жизни по схеме «гены – ферменты – метаболизм», утверждающая одномоментное появление репликации и метаболизма. Но есть доказательства, что эта схема не верна и даже ошибочна.
Известный биолог из Принстона Ф. Дайсон в книге «Происхождение жизни» (2000) развивает гипотезу независимого появления репликации и метаболизма. Современные данные палеонтологии указывают на следы молекул углеводов и порфирина (предшественника хлорофилла) в ископаемых структурах Гренландии (возраст 3,5 – 3,8 млрд лет), тогда как остатков нуклеиновых кислот не обнаружено. Значит, одновременно эти явления не могли возникнуть, репликация и метаболизм имеют разные носители (нуклеиновые кислоты и белки соответственно) и возникли автономно. Кроме того, в предбиологической среде не было образцов РНК и тем более ферментов, поэтому результаты экспериментов ничего не говорят о происхождении жизни, да и неизбежные ошибки при репликации должны накапливаться, что привело бы к гибели биосистем. Поэтому Дайсон считает наиболее правдоподобной гипотезу Опарина (концепцию голобиоза), согласно которой сначала появились белковые коацерваты – проклетки, которые обладали гомеостатом и размножались, но не имели механизма репликации. Компьютерное моделирование показало, что из неорганизованной молекулярной совокупности в коацервате возникает организованный комплекс, который приобретает белковый гомеостаз (при числе молекул более 2000 возникает 8 - 10 мономеров и дискриминантный фактор фермента порядка 60 - 100). Значит, на этапе предбиологической эволюции аминокислот достаточно 8 -10 (а не 20, как сейчас), и для ферментов 60 - 100 (а не 5000 - 10000, как сейчас). Вероятность достижения порядка оказалась около 50 %, а успешного синтеза полимеров – 75 %. Поэтому гипотеза Опарина-Дайсона проверена компьютерным моделированием и предлагает следующий порядок возникновения биоструктур: клетка –ферменты – гены.
Появились новые гипотезы зарождения жизни: в тонких пленках органики, адсорбированной на кристаллах пирита или апатитов; в геотермальных источниках на дне океана. Выделяют особую роль в происхождении жизни соединений серы (К. де Дюв). Ясности пока нет, но очевидно, что существование жизни повышает энтропию Вселенной, переводя локально материю в организованное, структурированное состояние.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гипотезы голобиоза и генобиоза / Справочник24
Режим доступа: https://spravochnick.ru/koncepciya_sovremennogo_estestvoznaniya/gipotezy_golobioza_i_genobioza/
2. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательский центр «Академия», 2003. С 287-289.
Режим доступа: https://yanko.lib.ru/books/natural/dubnischeva-koncepcii_sovremennogo_estestvoznaniya.pdf