Современные представления о происхождении жизни

В настоящее время наиболее обоснованной является гипотеза абиогенного зарождения жизни, которая соответствует гипотезе биохимической эволюции. Впрочем, она имеет свои камни преткновения.

Спорные вопросы:

1.      Где и когда начали синтезироваться органические соединения из неорганики? Как случился качественный скачок от неживой материи к живой? При этом интересным моментом является то, как шло у белков-ферментов объединение каталитической функции с информационно-генетической, за которую отвечают нуклеиновые кислоты.

2.      Как возникло столь удачное сочетание белково-нуклеинового комплекса в пробионте в результате случайного взаимодействия различных молекул «первичного бульона»?

При глубоком изучении РНК были сделаны следующие открытия:

1.      Некоторые РНК отличаются выраженной каталитической активностью. И самое примечательное — они могут репродуцироваться даже при отсутствии белковых ферментов! Это значит, что РНК способны были синтезироваться самостоятельно, без участия ферментов.

2.      Итак, именно подобная древнейшая РНК могла совместить функции каталитические и информационно-генетические. Это наделяло макромолекулярную систему способностью к репродукции.

3.      Как шла дальнейшая эволюция этого сложного механизма? РНК – белок – ДНК, то есть замена в системе генетического кодирования РНК на ДНК.

4.      Поскольку РНК, выполняя посредническую функцию, переносит информацию с ДНК к белкам, живым организмам присущ именно такой вектор движения информации: ДНК – РНК – белок.

Теория биопоэза. Главные стадии формирования жизни

Английский физик Джон Бернал в 1947 году представил научному сообществу свою теорию биопоэза. Фактически, Бернал развил гипотезу Опарина-Холдейна, создав современную теорию возникновения земной жизни. Теория Бернала описывает три стадии возникновения живого.

Стадия первая – абиогенное возникновение органических веществ (этап химической эволюции)

1.      Начало формирования Земли из облака межзвездной пыли и газов – около 4,6 млрд лет назад.

2.      Уплотнение планеты. Распад радиоактивных соединений.

3.      Жесткое ультрафиолетовое излучение в отсутствии озонового слоя.

4.      Начало остывания планеты и формирования коры – около 4,1 млрд лет назад.

5.      Мощнейшие метеоритные бомбардировки.

6.      Активная вулканическая деятельность, способствующая накоплению в атмосфере СО2, СО, метана, сероводорода, аммиака и других газов.

7.      Испарение воды, конденсация ее и выпадение дождей на поверхность планеты. Страшнейшие грозы.

8.      В атмосфере – благодаря электрическим разрядам, жесткому ультрафиолетовому излучению, извержениям вулканов и выбросу различных радиоактивных соединений – создаются самые простые органические вещества: некоторые аминокислоты, мочевина, мочевая кислота, формальдегид, глицерин.

9.      Действительно ли процессы протекали так? Химику Стэнли Миллеру в экспериментальной установке, имитирующей условия на молодой планете, в 1953 году удалось синтезировать из неорганических веществ некоторые простые аминокислоты, мочевую кислоту, мочевину.

Стадия вторая – образование биологических полимеров (предбиологический этап)

1.      Идет взаимодействие органических соединений между собой и с неорганическими.

2.      Вода постоянно испаряется благодаря высоким температурам, из-за чего концентрация органических соединений повышается.

3.      Жирные кислоты в сочетании со спиртами формируют жиры – на поверхности водоемов появляются жирные пленки. Аминокислоты объединялись в пептиды.

4.      Образуются нуклеиновые кислоты, способные к редупликации. Первыми создаются короткоцепочечные РНК, которые могут синтезироваться самостоятельно, без привлечения ферментов.

5.      По мнению биохимика Александра Опарина, белки притягивали молекулы воды, формируя коллоидные комплексы. Эти коллоидные комплексы соединялись в коацерваты, обособленные от окружающей воды.

6.      Коацерваты постепенно начали обмен веществ, избирательно накапливали определенные соединения.

7.      Коацерваты в сочетании с ионами металлов образовали ферменты. Оставалось только этим системам создать биологические мембраны.

Стадия третья – появление простейших мембранных структур и зарождение первичных организмов, пробионтов (биологический этап эволюции)

1.      Мембраны формировались из липидных пленок – тех самых жировых пленок на поверхности водоемов. К ним приклеивались белки.

2.      Порывы ветра и волнения водной глади изгибали пленку – так создался второй липидно-пептидный слой.

3.      Пузырьки с жирами окружали коацерваты с всклоченными в них белково-нуклеиновыми комплексами.

4.      Биомембраны дали независимость коацерватам, которые приобрели способности к саморегуляции и начали самовоспроизводиться.

5.      Появились примитивные пробионты с гетеротрофным типом питания.

6.      На этом этапе химическая эволюция завершилась, стартовала биологическая эволюция.

7.      Анаэробные гетеротрофы стали первыми организмами на Земле. Они были похожи на прокариотов, питались органикой «первичного бульона», которой было огромное количество. Однако через миллионы лет органика исчерпалась, началась конкуренция среди гетеротрофов. Это ускорило появление автотрофов.

8.      Первые автотрофы использовали солнечную энергию, но кислород не образовывали (пурпурные и зеленые бактерии).

9.      Позднее появились цианобактерии, которые выделяли кислород при фотосинтезе.

10. Накопление кислорода в атмосфере имело два последствия. Во-первых, появился озоновый слой. Он защитил организмы от ультрафиолетового излучения, предопределил их выход из воды на сушу, но остановил абиогенный синтез органики. Во-вторых, кислород привел к появлению аэробных организмов!

11. Возникли эукариоты – у них имелось ядро, рибосомы, мембранные органоиды.

12. Гетеротрофы начали вступать в симбиотические союзы с аэробными бактериями. Бактерии стали энергетическими станциями – современные митохондрии. Цианобактерии вступали симбиоз, образуя хлоропласты.

Как появились эукариоты?

На сегодняшний день большинство исследователей считает, что эукариоты эволюционировали от прокариот.

1.      Существует гипотеза происхождения органоидов эукариотической клетки в ходе впячивания клеточной мембраны. Согласно ей, в процессе впячивания могли появиться ядро, митохондрии и хлоропласты.

2.      Гипотеза симбиотического происхождения эукариотической клетки описывает только процесс происхождения митохондрий, хлоропластов, базальных телец. Митохондрии, а также пластиды и базальные тельца жгутиков и ресничек эукариотической клетки некогда были прокариотическими клетками. В митохондриях и хлоропластах имеются свои ДНК и РНК. РНК митохондрий сходно по строению с РНК пурпурных бактерий, а вот РНК хлоропластов больше похоже на РНК цианобактерий.