Появление жизни зависит от рождения хотя бы самого примитивного варианта генетического кодирования – основы информационного способа воспроизведения сходных структур. Но понимание того, что живым мы можем считать только клеточный уровень организации материи, сводит проблему возникновения жизни к фундаментальной проблеме человека. Ибо он – её результат.

Кажется странным, что до сих пор возникает вопрос, как могла возникнуть жизнь, несмотря на то, как далеко вперед ушла наука в познании живого и неживого. Жизнь существует! Значит, она когда-то возникла¹. Другое дело как? Когда? Где? И вообще, что такое жизнь?

Божественное творение (креационизм) не имеет смысла рассматривать, поскольку в этом случае необходимо смешение религиозных понятий с методологией науки, которая ничего общего не имеет с божественным началом в Природе.

Теория стационарного состояния. В рамках этой теории Земля существует вечно, и всегда была способна поддерживать жизнь. Изменения на Земле происходили незначительно. Виды организмов существовали всегда. У них было только две возможности: либо вымирание, либо изменение численности – не более того. Таким образом, эта гипотеза не отвечала на вопрос, как появилась жизнь на Земле.

Гипотеза спонтанного самозарождения жизни. Была распространена в Египте и Вавилоне, Китае. В Греции она пошла от учения Эмпедокла об органической эволюции. Этой концепции придерживался Аристотель. Согласно последнему, определенные частицы вещества несут в себе «активное» начало, способное в подходящих условиях создавать живой организм. Это «начало» можно обнаружить в оплодотворенном яйце, гниющем мясе, тине и солнечном свете.

В средние века Ван Гельмонт, нидерладский естествоиспытатель, активным началом зарождения мыши считал человеческий пот.

Франческо Редди в конце XVII века выяснил, что в закрытых сосудах никакого зарождения жизни не происходит, а в открытых сосудах появлялись черви оттого, что туда проникли мухи. Это доказывало, что личинки возникли от мух посредством откладывания ими яиц. Из этого Редди делает вывод, что живое возникает из живого.

В 1765 г Л.Спалланцани подвергнул мясные и овощные отвары кипячению и сразу же запечатал их. Позже он не обнаруживает признаков жизни в запечатанных сосудах. Делает вывод о том, что при кипячении температура уничтожает все живое и ничего нового из этого возникнуть не может.

Окончательно гипотеза самозарождения жизни была отброшена Л. Пастером в 1860-х годах, доказавшего справедливость биогенеза (происхождения жизни из предшествующей жизни). Он провел ряд опытов, завершившихся помещением обеспложенного мясного бульона в колбы, у которых горлышко было вытянуто в длинную трубочку, изогнутую как шея у лебедя. Благодаря изгибу, воздух проходил в колбу, а микроорганизмы застревали в горлышке. Бульон оказался стерильным, что подтверждало мысль о невозможности самозарождения жизни. Французская Академия наук, в 1859 г. назначившая специальную премию за попытку ответить на вопрос о возможности самопроизвольного зарождения жизни, в 1862 г. вручила её Л. Пастеру.

Гипотеза панспермии. Еще Анаскагор (500 – 428 г д.н.э.) рассуждал о «семенах вещей», которые наличествуют во всех организмах. В этой связи он стоял у истоков концепции панспермии, в соответствии с которой жизнь на планеты пришла извне.

В 1865 г. немецкий врач Г.Рихтер выдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), в соответствии с которой жизнь является вечной, и зачатки её, населяющие мировое пространство, могут переноситься с одной планеты на другую.

В 1871 г шотландский физик В.Томсон, обнаруживший углерод в метеоритах, предположил, что в результате столкновения метеоритов с планетами, на которых возможна жизнь, жизненные формы могли попадать в космос от удара метеоритов и, блуждая в космическом пространстве, они могли заносить фрагменты жизни на другие планеты.

С ним согласился немецкий физик Г.Гельмгольц. При этом он предположил, что жизнь возможно также стара, как и материя.

Сходную гипотезу в 1907 г. выдвинул известный шведский естествоиспытатель С.Аррениус, предположив, что во вселенной вечно существуют зародыши жизни. Эти зародыши где-то странствует в космосе в виде спор, подталкиваемые давлением света. Однако опыты показали, что в космических условиях споры жизни не могут долго существовать.

Согласно панспермии, в мировом пространстве рассеяны зародыши жизни (например, споры микроорганизмов), которые движутся под давлением световых лучей, а, попадая в сферу притяжения планеты, оседают на ее поверхности и закладывают на этой планете начало живого. Последующие исследования показали несостоятельность концепции панспермии, поскольку в космическом пространстве микроорганизмы не смогут долго выжить в подобных экстремальных условиях. Новая модификация панспермии предполагает наличие в космосе преджизненных форм, которые, попадая с метеоритами на поверхность планет, могут получить развитие до образования живых организмов. При изучении метеоритов действительно были обнаружены предбиологические формы, называемые преджизненными.

К настоящему времени в галактическом пространстве обнаружено 130 органических соединений, среди которых формальдегид, цинацетилен, муравьиная кислота, вода, аммиак – необходимые вещества преджизненных форм. Установлено наличие фосфора. В диффузных облаках туманностей обнаружены фуллерены, углеродные цепи, керогеноподобные структуры, а также предполагается наличие ароматических углеводородов.

Гипотеза панспермии, предполагая, что жизнь могла быть занесена на Землю, не решает самой проблемы возникновения живого, просто отодвигает эту проблему в бездну космического пространства.

По каналу СBS прошло сообщение о том, что американским ученым удалось оживить бактерию, обнаруженную в куске соли возрастом 250 млн. лет². Бактерия была найдена в небольшой капле воды, которая уцелела внутри кристалла соли. Эта находка была сделана на глубине около 500 м недалеко от города Карлсбада в штате Нью-Мексико. Правда, некоторые ученые не исключают возможности того, что микроорганизм попал в недра кристалла вместе с просочившейся в него позднее водой.

Если возраст бактерии подтвердиться, то она станет самым древним представителем жизни на земле, который когда-либо оживляли ученые. Ранее исследователям удалось вернуть к жизни бактерию, споры которой были обнаружены во внутренностях пчелы из куска янтаря, сформировавшегося от 25 до 30 млн. лет назад.

Подобные случаи возврата к жизни бактерий – серьёзный аргумент в пользу гипотезы о внеземном происхождении жизни на Земле. Тот факт, что бактерия может выйти из анабиоза через 25-30 и даже через 250 млн. лет подтверждает, что микроорганизмы могли бы выдержать космические скитания и, попав в благоприятные условия, дать основу развития жизни на любой из планет.

Новый взгляд на идею панспермии связан с оживлением поисков преджизненных форм в космосе на основе пристального внимания к кометам и межпланетной пыли, в которых могут быть заключены высокомолекулярные формы, способные к саморазвитию в благоприятных планетных условиях.

В 1999 году НАСА осуществлен запуск космического корабля Stardust, который взял пробы содержимого хвоста кометы Wild-2 и межпланетной космической пыли и затем доставил их на Землю в 2006 году. Первые результаты оказались обнадеживающие, поскольку Stardust распознал частицы с молекулярной массой 2000 единиц, что позволяет интерпретировать этот результат как находку высокомолекулярных соединений на углеродной основе, которые на порядок крупнее известных органических соединений.

Stardust собирал образцы космической пыли в ходе полета, продолжавшегося семь лет. Зонд пролетел расстояние в 4,8 млрд. километров. В ходе этой операции из зонда был выдвинут прибор с ячейками, заполненными материалом под названием аэрогель, пористым веществом для сбора частиц пыли. Одна часть прибора предназначалась для сбора частиц вещества кометы, другая - для сбора космической пыли.

Специалисты НАСА рассчитывают, что уникальные образцы, которые доставил аппарат, впервые дадут ученым возможность изучить ряд особенностей возникновения Солнечной системы. Именно в кометах содержится материал, сохранившийся со времени образования нашей планетной системы практически без изменений.

На борту аппарата находятся также частицы самой кометы, которые были собраны в январе 2004 года, когда зонд пролетел в 240 километрах от ядра кометы, состоящего в основном из водяного льда.

Образцы вещества кометы покажут его состояние таким, каким оно было 4,5 млрд. лет назад, когда формировалась Солнечная система. А это поможет нам понять процесс формирования Солнца и планет.

Наличие преджизненных образований в пределах Солнечной системы может указывать только на то, что они – её принадлежность. Но это не означает, что такие же образования могут существовать в пределах других планетных систем.

Современные концепции происхождения жизни иногда условно подразделяют на субстратные (биохимическая концепция А.Опарина-Холдейна), энергетические (И.Пригожин, Л. Блюменфельд, М.Волькенштейн, К.Тринчер, П.Кузнецов, Л.Николаев и др.), информационные (А.Колмогоров, А.Ляпунов, М.Эйген, Ф.Крик, Д. Чернавский и др.).

Довольно широкое признание получила концепция Кастлера об эволюции молекулы полинуклеотида со свойствами репликации.

Известна идея Кальвина о молекулярной эволюции свойства автокатализа некоторых полимеров, концепция Бернала о химической эволюции в адсорбционных пленках, гипотеза Фокса и Дозе об эволюции протеноидных микросфер, теория Эйгена об эволюции самопроизводящегося гиперцикла систем синтеза белков и полинуклеотидов, точка зрения Мекслера о прекрестной стереокомплементарности (механизм воспроизводства генетической информации и кода).

Согласно В.Швеммлеру (1979), первую группу составили гипотезы происхождения жизни, основанные на идее «генобиоза», т.е., утверждающие первичность молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода. Вторую группу составили гипотезы, построенные на идее «голобиоза», т.е., первичности структуры, типа клеточной, наделенной способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма.

Благодаря голландцу Г.Бунгенбергу-де-Ионгу, был известен процесс образования коллоидных гелей, образующихся при смешении белков и других высокомолекулярных соединений, который был определен автором термином «коацерваты».

Идея доклеточного предка. А.Опарин, как сторонник первичного обмена веществ, протекающего в коацерватной системе, считал, что появление в ней нуклеиновых кислот есть завершение эволюции в итоге конкуренции протобионтов (1960; 1977). А вот Дж.Холдейн (1929; 1954) придерживался противоположной точки зрения. Согласно его взглядам первичной средой была не структура, способная к обмену веществ и окружающей средой, а макромолекулярная система, подобная гену и способная к саморепродукции, а потому названная им «голым геном». Иными словами Дж.Холдейн был сторонником гипотезы «генобиоза».

По А.Опарину в условиях первичной атмосферы Земли мог происходить синтез всех необходимых предбиологических преджизненных форм. Сейчас практически общепризнано, что первичная атмосфера состояла из аммиака, водорода, воды, метана, окиси и двуокиси углерода, сернистого газа. Свободного кислорода не было, поэтому атмосфера имела восстановительные свойства. Именно в восстановительных условиях по А.Опарину сложные органические вещества могли синтезироваться проще, не подвергаясь распаду длительное время. В качестве источника энергии органические вещества использовали энергию Солнца, хотя в принципе этим источником могло служить тепловое поле Земли в виде подводных вулканических извержений и фумарольно-гидротермальной деятельности извержений. А простейшие органические формы должны были формироваться в первичном океане. Именно в первичном органическом «бульоне» зародилась жизнь по А. Опарину.

Предполагался следующий сценарий. Главная роль принадлежала белкам – они образовывали коллоидные гидрофильные комплексы с молекулами окружающей среды – воды. Белки формировали мицеллы, слияние которых друг с другом приводило к их отделению от водной среды. Это получило название коацервации, а сами первые примитивные образования названы коацерватами.

Коацерваты – это обособленные в растворе органические многомолекулярные структуры. Их возникновение рассматривается как стадия развития преджизни. Наиболее важным этапом в происхождении жизни было возникновение механизма воспроизведения себе подобных и наследования свойств предыдущих поколений. Это стало возможным благодаря образованию сложных комплексов нуклеиновых кислот и белков. Нуклеиновые кислоты, способные к самовоспроизведению, стали контролировать синтез белков, определяя в них порядок аминокислот. А белки-ферменты осуществляли процесс создания новых копий нуклеиновых кислот.

Коацерваты могли обмениваться веществом с окружающей средой и накапливать разные соединения. Это могло привести к естественному отбору. На границе капель с внешней средой выстраивались молекулы жиров (липиды), образуя примитивную мембрану, повышающую стабильность существования коацерват. При образовании внутри коацерват первой молекулы, способной к самовоспроизведению тем или иным путем, появлялась протоклеточная структура. Рост размеров коацерват, их деление могло привести к образованию идентичных копий коацерват. Они также поглощали компоненты окружающей среды и процесс, таким образом, продолжался. Таким путем мог возникнуть первый гетеротрофный организм, использовавший для питания органическое вещество «первичного бульона».

Однако вероятность появления жизни путем случайных «перетряхиваний» молекул, способных накопить и передать информации о самоорганизации жизненных форм, очень мала.

Слабости теории:

1. Рассматривалась гомогенность среды коацерват. На самом деле среды были гетерогенные.

2. Зарождение условий не предполагает их изменение. Условия среды менялись вместе с изменением структуры преджизненных форм.

3. Нет обмена информацией и веществом в условиях эволюции внешней среды и новообразований преджизненных форм.

4. Нет участия процессов катализа и автокатализа

5. Сорбция – участие коллоидов в системе кислой среды, обеспечивающей поток минерального вещества в воду.

6. Жизнь могла появиться только на границах сред, а не в гомогенной среде. То есть, в гетерогенной среде. Именно в условиях земной коры и океана, существовавшие гетерогенные условия провоцировали разный механизм формирования видового состава клеточной материи…

А.И. Опарин, опираясь на данные по обнаружению метана в атмосфере Юпитера в 1920 году, предположил, что на ранней стадии развития Земли наряду с аммиаком, водородом, и водой присутствовал метан. Он указывал, что зарождение жизни на Земле – длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой материи на основе метана, аммиака, водорода и воды. При этом к элементам жизни он относил углерод, азот, кислород и водород.

Б.С.Холдейн полагал, что действие ультрафиолетового излучения на первичную атмосферу Земли, содержащей диоксид углерода, пары воды и метана, могло вызвать к жизни органические соединения, которые концентрировались в океане в составе горячего разбавленного «органического бульона». Последующий химический синтез мог привести к образованию первичных организмов (вирусов или вироидов), пищей для которых была питательная среда «органического бульона».

Таким образом, независимо друг от друга А.Опарин и Б.Холдейн пришли к выводу о возможном возникновении жизни абиогенным путем в протоокеане.

При сходстве их идей А.Опарин прежде всего подчеркивал роль метаболизма³ при формировании первичной жизни, в то время, как Б.Холдейн отдавал предпочтение развитию. А.Опарин один из первых высказал гипотезу о возможности появления преджизненных форм в условиях протоатмосферы, содежащей метан, водород, аммиак, пары воды. Эту идею реализовал в своих опытах в 1952 – 1953 гг. С. Миллер, 23-летний аспирант Чикагского университета. В опыте он воссоздал условия, характерные, по тогдашним представлениям, для ранней Земли. Сквозь «первичную атмосферу», – смесь метана, аммиака, воды и водорода, пропускались электрические разряды. Через несколько дней в колбе появились 4 аминокислоты, цианиды, уксусная кислота, мочевина и др. органические соединения. Это подтверждало взгляды Опарина-Холдейна. Две странички в журнале «Science» произвели фурор в научном мире. «В пробирке созданы живые существа», «раскрыт механизм зарождения жизни» – трубили журналисты. Описание этого опыта до сих пор помещается в учебниках биологии. Однако проблема происхождения жизни оказалась намного сложнее. Эксперимент С.Миллера подтверждал только наличие исходных компонентов жизни, но не отвечал на вопрос, как могла возникнуть первая клетка.

В том же 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик определили структуру ДНК, основу носителя информации в живой природе. И хотя в последующие десятилетия была доказана возможность синтеза в предбиотических условиях составляющих ее нуклеотидов, поразительная сложность механизмов синтеза белка (включающих трансляцию ДНК в РНК и последующий сплайсинг, осуществляемй специфическими ферментами; функционирование рибосом и аминоацил-тРНК-синтез, прицельно отыскивающих каждая свой белок и т.д.) навсегда покончил с ощущением того, что проблема возникновения жизни может быть решена просто. Сегодня общая картина биологии включает следующую последовательность событий:

Таким образом, белки несут на себе все основное бремя жизни. Первичная структура белка определяется цепью аминокислот, собираемых РНК согласно «чертежу» ДНК. У белка со 100 аминокислотами каждое место может занимать любая из 20 аминокислот. В итоге можно получить 20¹⁰⁰ различных белков. Столь огромная величина, превышающая число атомов обычного вещества во вселенной свидетельствует о бесконечно большом разнообразии белков. Для чего это понадобилось жизни? Видимо для бесконечно больших возможностей материи к созиданию, перешедшей в новое качество. Поистине в ставке на жизнь Природа нашла механизм более совершенной самоорганизации, приведшей к возникновению разума, докапывающегося до существа самой этой самоорганизации.

Известны опыты И.Эльпинера по синтезу всех 20-ти «живых» аминокислот и пептидов; Д.Оро (1963) по абиогенному получению аденина, гуанина, пиримидинов, рибозы и дезоксирибозы, а также опыты С. Поннамперумы (1963) по синтезу нуклеотидов и превращению аденина в аденозин, аденозина в аденозиномонофосфат, а последнего – в адезинозинтрифосфат (АТФ).

Гипотеза «голобиоза». Что старше – голый ген или белковый протобионт? Генетическая репродукция или метаболизм?

Согласно П.Деккеру (1970), структурную основу предка «биоида» составляли «жизнеподобные» неравновесные диссипативные (рассеянные) структуры, т.е., открытые микросистемы с мощным ферментативным аппаратом, катализирующим метаболизм биоида. А это означает, что он подвержен дарвиновской эволюции, благодаря переходам (мутациям) из одной стадии («вида») к другой, более устойчивой, приобретающей все новые биты информации.

«Самые первые системы, способные эволюционировать под действием естественного отбора, видимо, были устроены иначе, чем современные организмы, и имели иной состав. Ими могли быть кристаллы глины»⁴ – с таким заявлением выступил в начале 80-х годов химик из Университета Глазго А.Дж.Кернс-Смит. С новыми аргументами в поддержку этой теории выступил Дж. Трэнтер из Оксфордского университета, связывая возникновение асимметрии в живой природе с асимметрией «слабого» взаимодействия, исчезающе малые эффекты которого могли быть многократно усилены в кристаллических структурах глин⁵.

Удивительно, но подобная идея витала давно. Ведь глинистые минералы, способные к росту могли сорбировать (как коллоиды) из водной среды органические вещества. Последние, освободившись в волноприбойной зоне от глины, могли, таким образом, снять первую «копию» первичной неорганической структуры глин и далее передавать последующим поколениям органелл матричным копированием приобретенную им структуру. Не исключено, что не понадобилось предбиологическим структурам «копировать» структуру глин, способных к росту. Достаточно было скопировать саму структуру воды, той ячейки Бенара, которая всегда находилась рядом. Глины же могли выступать в качестве не только сорбентов органического вещества, но и служить первыми катализаторами.

В рамках гипотезы «голобиоза» моделировали доклеточный предок и американские биохимики С.Фокс и К.Дозе (1970-е), Г.Хартман (1970 – 1980) на идее стереоспецифического автокатализа. Идею симбиоза нуклеиновых кислот и белков использовал В.А.Ратнер (1986) и Д.Уайт (1980-е годы).

Главный аргумент против заключается в том, что белковые и нуклеиновые макромолекулы структурно и функционально глубоко различны, они не могли появиться одновременно в ходе химической эволюции, в связи с чем нереально их сосуществование в протобиологической системе.

Гипотеза «нообиоза». Утверждает первичность макромолекулярной системы с функциями генетического кода. Сторонник этой гипотезы Дж. Холдейн.

Первый аспект проблемы: первичная информационная нуклеотидная система – прародительница единого для всей биосферы генетического кода – была действительно «голой», т.е., не находилась в комплексе с протеинами и обеспечивала саморепродукцию самостоятельно.

Второй аспект проблемы: в абиотических условиях сразу «зародился» нуклеиново-протеидный комплекс, поскольку полинуклеотиды в отсутствие белков-ферментов не способны к самостоятельной комплементарной (сцепление, связывание) саморепродукции. Это направление одно из фундаментальных свойств живой материи – ее способности к стереоспецифической комплементарной репродукции.

Общее признание в рамках гипотезы «генобиоза» получила идея, согласно которой блоками (по своей химической природе кирально чистые молекулярные «блоки») были макромолекулы ДНК или РНК. Но какая из них появилась первой и смогла сыграть роль матрицы для первичной комплементарной полимеризации, это сказать довольно трудно.

На возможность переноса генетической информации от РНК к ДНК, указывал Д.Балтимор и Т.Темный (1970-е годы), что послужило доводом к предположению, что ревертаза и матричный синтез ДНК на РНК – компоненты единого для всего живого доклеточного предка.

В начале 80-х годов был всплеск оптимизма, когда было обнаружено, что РНК способна к автокаталитической репликации (самовоспроизведению без посредничества белков). Т. Чек (Колорадский университет) и С. Альтман (Йельский университет) обнаружили РНК, обладающую способностью катализировать реакцию сплайсинга РНК (Нобелевская премия 1989 г). Сегодня известно около ста ферментативных РНК, именуемых рибозимами.

Гипотза «РНК-мира». Понятие РНК-мир введено У.Гилбертом из Гарварда. По этой теории основой жизни являлись не белки, а молекулы РНК.

С появлением РНК механизм образования первой клетки должен пройти пять этапов⁶:

1. Этап репликации (самовоспроизведения).

А. Нить РНК создает свою комплиментарную нить (Ц-Г, А-У) притягиванием друг к другу спариваемых оснований аминокислот. Возможно образование любых сочетаний, однако неустойчивые сочетания не смогут удержаться вместе, как это происходит с парами оснований Уотсона-Крика (АУ,ГЦ), которые и берут верх.

Б. Комплиментарная нить РНК отделяется от исходной нити.

В. Комплиментарная нить создает свою собственную комплиментарную нить, совпадающую с исходной РНК.

Г. Молекулярные комплиментарные нити разделяются, образуя копию исходной РНК и комплиментарную молекулу РНК, которые в свою очередь могут теперь строить очередные копии по тому же образцу.

Эти этапы не воспроизведены в лабораторных условиях. Причина может скрываться в невыясненной природе участвующих катализаторов в виде заряженных кристаллов или в виде структурных перестроек воды, зависящие от температуры. Пока это проследить никто не догадывался. Ведь формирование жизненных форм началось в более высокотемпературной водной среде, а закончилось в более низкотемпературной. Скачкообразный переход структурного полиморфизма воды мог выступить в роли катализатора, удерживающего раствор в метастабильном состоянии настолько долго, насколько могла успеть пройти реакция самовоспроизведения.

2. Направленный РНК белковый синтез. РНК, синтезирующие белковые молекулы, должны пользоваться дарвинской теорией (выгодами) эволюции через некую косвенную обратную связь.

3. Разделение на клеточные скопления. Должно начаться образование мембран из сложных белков или жирных липидных молекул, ведущие к отделению множества РНК друг от друга. Это вызовет усиление конкуренции между ними и белковыми молекулами, прежде чем они подойдут к этапу становления протоклетки.

4. Сцепление белков и РНК. Предположив разделение этих первых РНК на гены, каждый из которых синтезирует один белок, получается, что они должны состоять из 70 – 90 нуклеотидов. Первичный белок (остаток аминокислоты – пептид), вероятно, состоял из 20 – 30 нуклеотидов. Согласно теории минимальное число генов должно равняться 256, и тогда первая клеточная РНК должна состоять из 20 тыс. нуклеотидов.

5. Сохранение информации в ДНК и образование белковых ферментов-катализаторов. РНК вполне способна хранить генетическую информацию, но двойная спираль ДНК лучше приспособлена к более надежному ее хранению по сравнению с одной спиралью РНК.

Не исключено, что РНК-мир существовал раньше ДНК-мира. А в процессе эволюции он утратил свое значение.

Образование компонентов мономерных звеньев РНК-углеводных циклов рибозы и гетероциклических оснований не представляло принципиальных затруднений. Значительно труднее предположить образование из них нуклеозидов, а затем и соединение последних в нуклеиновые кислоты. В условиях гомофазного процесса в газовой или жидкой среде такой синтез мог оказаться крайне затруднительным. Однако он относительно легко осуществляется в условиях гетерофазного катализа на твердой подложке. Отсюда гетерофазность предполагает изначально появление разнообразных модификаций протоживых организмов. В качестве такой подложки выступают разные минералы земной коры: карбонат кальция, магния, железа, каолинит, монтмориллонит, соединения алюминия, цеолиты. То есть – глины. Они способствуют ускорению синтеза и ориентации реагирующих компонентов сообразно структуре глин. При таких условиях возможна сшивка сначала нуклеозидов на монтмориллонитовой подложке из 5-фосфоримидазолида цитидина. Аналогично были получены и более сложные олигонуклеотиды, содержащие нуклеозиды разных типов. При этом РНК-цепь сохранялась стабильной длительное время, что способствовало образованию межнуклеотидных связей. Так осуществлялся синтез дочерней РНК на РНК-матрице, т.е. аналог транскрипции. Подобная последовательность операций могла быть в случае матрично-направленного синтеза пептидов на РНК: отдельные ди- и тринуклеотиды связывались с молекулами аминокислот, например, за счет гидрофобных взаимодействий или водородных связей. В результате около цепи РНК выстраивались нуклеотиды, несущие аминокислоту с возможным образованием пептидных связей между молекулами аминокислоты. Таким образом, реализовались реакции трансляции без участия белков-ферментов. Однако существует неясность, была ли РНК первой жизнеобразующей молекулой или существовали более древние предшественники?

Не так давно был осуществлен синтез пептидонуклеиновой кислоты (ПНК), в котором скелет цепи был образован молекулами аминокислоты N-(2-аминоэтил) глицина. К этому скелету крепились гетероциклические основания. Таким образом, сахарофосфатный остов был заменен на пептидный. Т.е. в настоящее время некоторые исследователи ПНК считают кандидатом на роль возможного предшественника РНК.

В результате сформировалось четкое представление, что древняя РНК совмещала в себе черты фенотипа и генотипа (Д.Джойс, 1989), то есть, отвечала требованиям «дарвиновской эволюции», будучи подверженной как генетическим преобразованиям, так и естественному отбору. То есть шла физико-химическая эволюция РНК-овой молекулярной системы в ДНК-овую с утратой самостоятельных каталитических функций.

Однако вскоре «…выяснилось, что в условиях, какие, вероятно, были на Земле в период возникновения жизни, синтез РНК протекает с трудом, а автокатализ репликации РНК далеко не так эффективен, как казалось»⁷. Далее: как появилась сама РНК? Синтезировать не только тысячезвенный полимер (а полимеры меньшей длины просто не могут выполнять свою основную, информационную, функцию), но и составляющие его нуклеотиды трудно даже в оптимальных условиях. Непонятно и то, что основным компонентом нуклеиновых кислот стал такой редко встречающийся элемент, как фосфор…

Д.Джойс, Т.Линкольн⁸ обнаружили способные к самовоспроизводству молекулы РНК в пробирке, тем самым продемонстрировали признаки эволюции, Однако такая синтетическая эволюция, в отличие от настоящей, оказалась не способной обеспечивать появление новых функций.

Итак, прежняя парадигма возникновения жизни поставлена под сомнение, ибо не объясняет всего комплекса накопленных фактов, новая – пока не появилась… Правда, возникают также концепции отмирающих природных систем в ходе эволюции и приход на смену тех, которые являются длительно развивающимися, устойчивыми, метастабильными и т.д.

По гипотезе английского астрофизика Джеймса Джинса (1877 – 1946) предполагается, что жизнь – это плесень, возникающая на поверхности небесных тел. Это парадоксальное утверждение было наиболее естественным объяснением возникновения жизни.

Жизнь в гидротермальных системах.

К. Везе, обобщая данные по эволюции микроорганизмов, расположил их в основании бактериального филогенетического древа. Таким образом, все прокариоты разделились на две группы – архебактерий и эуабактерий. Однако позже выяснилось, что архебактерии и эубактерии являются параллельными ветвями, развившимися из общей гипотетической предковой формы – прогенота. Реконструкция прогенота К.Везе привела к выводу о том, что общий предок существовал при температуре кипения воды, т.е. был гипертермофилом. Другими словами жизнь зародилась в условиях более экстремальных, чем предполагает концепция зарождения жизни в теплом протоокеане.

В условиях возникновения жизни в гидротермальных системах среда должна быть, по крайней мере, более высокотемпературной изначально против тех условий, которые обеспечивают функционирование живых организмов в настоящее время. Это означает, что такие системы обладают запасом энергии, необходимой для запуска механизма жизни, требующего непрерывной подпитки энергии. Гидротермальные системы предполагают наличие воды. В них должны были происходить широкие колебания термодинамических (Р-Т-С) параметров – давления, температуры, концентрации растворенных веществ. При этом гидротермальные среды должны характеризоваться крайней пространственной и временной неравновесностью. Это очень важно для запуска механизма самоорганизации, который проявляется в условиях отклонения от равновесного состояния.

Изначально весьма неравновесная гидротермальная система на базе значительных флуктуаций параметров среды способна провоцировать спонтанное явление самоорганизации. Однако эта самоорганизация реализуется только в условиях граничащих разных Р-Т-С- условий. То есть в условиях открытых гидротермальных систем, например, существования гидротермальных систем подводного типа (условия существования подводных извержений в современных «черных курильщиках»). В противном случае в частично закрытой гидротермальной системе флуктуация Р-Т-С- условий будет незначительной и явления самоорганизации будут проявлены слабо. Например, гидротермальные системы в условиях недр (земной материковой коры) ни к чему не приведут. Жизнь гидротермальной системы должна поддерживаться длительное время, а процессы обмена веществом, энергией и информацией с окружающей подводной средой должны носить динамический периодический характер пульсирующего гидротермального очага.

Наличие дисперсного органического вещества во вмещающей (подводной) среде провоцирует механизм «встряхивания», аттрактанции⁹ турбулентного перемешивания органики на границе гидротермальной и подводной среды, в изобилии содержащей катализаторы глинистых минералов, а также минералов кальция, железа, магния, гелей гидрооксидов алюминия и растворенных в воде металлов. Таких «точечных» палеогидротермальных сред в палеоокеане было громадное количество и каждая из них представляла особое, специфическое окружение, способное обмениваться веществом, энергией, информацией и, что самое главное, продуктами самоорганизации. По этому сценарию вероятность перебора вариантов, приведших к созданию преджизненных форм, способных эволюционировать к доклеточным формам жизни, гораздо выше, чем это могло произойти в условиях гомогенной среды океана.

Лишь после, когда появились органеллы, способные формировать протоклетку, гетерогенные условия на границе палеогидротерм и водной среды оказались неподходящими для дальнейшего существования примитивной жизни. Переход от сильно флуктуирующих систем к более- менее равновесному состоянию гомогенной фазы океана способствовало к эволюции примитивной жизни в условиях медленно текущего процесса обмена веществом, энергией и информацией.

Таким образом, процесс формирования преджизненных форм мог укладываться в смену самих условий существования окружающей сред. От гетерогенных (сообщества палеогидротермальных сред с палеоокеаном и граничащими средами, отвечающими за катализ и автокатализ происходящих вначале химических, а затем и биохимических реакций) к метастабильным средам. Но обладающим также множеством граничащих эффектов (известковые и органические илы с синтезированным химическим путем органическим веществом), стимулирующих процессы сорбции, матричного копирования структур, мутации и т.д. Позже гидротермальный процесс участия в развитии жизненных форм отошел на второй план и существовал параллельно, но не определял существо эволюции. Он мог служить своего рода триггером, одним из спусковых механизмов превращения преджизненных форм в жизненные, способные к репликации и размножению клетки.

Во всей эволюции, приведшей к появлению клеточной жизни, мы видим смену не только физико-химических условий сред (Р,Т,С-параметров), но и смену восстановительных на окислительные среды. Происходит трансформации в выборе энергии на метаболические процессы. Вначале делается ставка на тепловую энергию теплового поля Земли, а затем на тепловую и солнечную энергию. Эволюционируют и среды. Диссипативные структуры коллоидных сред выгодны для процессов сорбции и копирования примитивных параметров структур органелл. В этих структурах развиваются автокаталитические процессы синтеза органического вещества, которого в избытке могло быть практически в первые мгновения существования жидкой воды, то есть, палеоокеана. Изменение рН-среды океана от кислой к нейтральной способствовало изменению хода восстановительных на окислительные условия. Именно изменение сред самой жизнью стало тем ключевым фактором, который определил усложнение жизненных форм и ускорение их эволюции. Белково-нуклеиновая её форма, возникнув в восстановительной среде, обрела устойчивый характер эволюции в окислительной среде. Сторожевой механизм существования восстановительных и окислительных условий стал тем ключом, который автоматически регулировал процесс поддержания жизни прокариот и эукариот в длительной геологической истории. В этом и заключается один из самых потрясающих механизмов неуничтожимости (инерционности) живого, который изобрела эволюция в рамках самоорганизации Природы.

Таким образом, проблема возникновения жизни связана не только с эволюцией органического вещества в первичном бульоне, но и с процессом эволюции многообразия сред, связанных с подводным вулканизмом, палеогидротермальной деятельностью, эволюции химического состава океана, самой земной и океанической коры. Разнообразие и многообразие видового состава жизни на Земле всегда сопровождалось многообразием и разнообразием сред, провоцирующих мутации и усиливающих отбор тех признаков, которые могли противостоять изменяющимся условиям.

При всем многообразии точек зрения на проблему возникновения жизни, невозможность её решения связано с тем, что исследователи опираются на один методологический подход – экстраполяции современных условий существования жизни на те, которые были раньше (принцип актуализма). Такая экстраполяция явно ущербная, поскольку мы практически ничего не можем сказать об условиях, в которых зарождалась жизнь. А в процессе эволюции живого условия (химические, биохимические реакция и среда) изменялись непрерывно. К тому же не учитывается самый главный фактор – время. Поэтому в сложной перипетии взглядов на эволюцию жизни можно обратиться к простой нижеследующей схеме, в рамках которой можно прояснить главные направления изучения этой проблемы.

Ссылки