Современные теории происхождения жизни

Однако не исключено, что микроорганизмы могут проникать внутрь метеоритов уже после их падения. Серия экспериментов подтвердила, что почвенные микроорганизмы находили способ проникать внутрь исследуемых пород. Метеориты, приземляющиеся на влажную почву, способны загрязняться почвенной микрофлорой, из-за чего обнаруженные в них жизнеспособные клетки не могут служить доводом в пользу метеоритного переноса Жизни.

Если нельзя получить данные о переносе метеоритами жизнеспособных клеток, то не помогут ли они, по крайней мере, узнать, существует ли жизнь в мире, из которого они прилетают? Иначе говоря, не содержат ли метеориты следов мёртвых, ископаемых (фоссилизированных) организмов? Такие исследования были проведены.

В 1961 г. Ж. Клаус и Б. Надь обнаружили в метеорите Оргейль так называемые «организованные элементы», которые, по мнению исследователей, могли являться ископаемыми (фоссилизированными) остатками каких-то биологических образований. Эти элементы люминесцировали в ультрафиолетовом свете, окрашивались, как и бактерии, оснóвными анилиновыми красителями, давали положительную реакцию по Фёльгену, характерную для ДНК. Исследователи предполагали, что это остатки микроорганизмов внеземного происхождения. Дальнейшие исследования показали, что некоторые «организованные элементы» представляют собой минеральные образования.

Таким образом, результаты исследований метеоритов не подтвердили и не опровергли возможности существования Жизни вне Земли. Они также не противоречат и не дают весомого подтверждения предположению о переносе метеоритами Жизни из иных миров на Землю.

Другая группа фактов связана с единством биохимии земных организмов.

Предположим, что какая-то частичка космической пыли или метеорит принесли в земной Океан клетку прокариотической  водоросли. Могло бы это дать старт устойчивой биологической эволюции? Возможно, но сомнительно. Вероятнее, что за первым этапом быстрого размножения последовало бы исчерпание питательных веществ, отравление среды продуктами собственной жизнедеятельности. Дело даже не в том, что обязательно погибли бы все до одной клетки. На периферии очага жизни, вероятно, сохранились бы немногочисленные клетки, позволяющие жизни «теплиться» далее. Но не смогло бы образоваться такое количество продуктов фотосинтеза, чтобы его можно было найти почти через четыре миллиарда лет, как они найдены, например, в разрезе Исуа (Западная Гренландия) в виде отложений нефтеподобного вещества.

Если бы в Океан был занесен только один тип клеток, от которого все остальные типы (родоначальники будущих крупных таксонов) произошли значительно позже, то, соответственно, и  обнаруженное нефтеподобное вещество датировалось бы более поздней отметкой, а не появилось бы практически сразу за возникновением на Земле необходимых для жизни условий.

Если предположить, что на Землю могли быть случайно занесены метеоритом несколько типов клеток, создавших устойчивый замкнутый круговорот веществ, то метеорит должен был содержать не 3-4 вида клеток, а хотя бы втрое больше, чтобы в этой случайной выборке обязательно присутствовали все необходимые типы. При этом все виды должны были бы иметь одинаковую биохимию, у них должны были бы совпадать и хиральности молекул, и наборы аминокислот, и т.д.

Если клетки случайно попали к нам из мира, где существовали разные ветви жизни (разные варианты биохимии), то невозможно, чтобы десяток принесенных метеоритами видов клеток случайно имел одинаковую биохимию. В случайной выборке обязательно должны были бы присутствовать клетки, относящиеся к иным ветвям Жизни, с иной биохимией.

То, что клетки с иной биохимией до сих пор не найдены, косвенно свидетельствует против случайного занесения Жизни на Землю с помощью метеоритов. Во всяком случае, против занесения её с планеты, имеющей формы Жизни с разной биохимией.

В случае если Жизнь переносится в наиболее примитивных формах, эволюция получает максимальный простор. Появляется возможность наиболее разнообразного, оригинального и безудержного развития. Единственное сохраняющееся ограничение для всей эволюции – единый, общий вариант биохимии. Если инопланетный разум действительно содействовал в появлении жизни на земле, то он занес клетки с одним типом биохимии, тем самым избавив Землю от проблем, связанных с несовместимостью разных ветвей жизни.

Глава II. Концепция биохимической эволюции

§2.1 Гипотеза А.И Опарина

     Пик исследований А. И. Опарина и его соавторов при­ходился на 50-60-е годы, хотя его книга «Происхожде­ние жизни» была опубликована еще в 1924 году. Появление жизни он рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из проте­кавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень - биохимическую эво­люцию.

С самого начала этот процесс был связан с геоло­гической эволюцией. В настоящее время принято счи­тать, что возраст нашей планеты составляет примерно 4,3 млрд лет. В далеком прошлом Земля была очень горя­чей (4000-8000 °С). По мере остывания образовывалась земная кора, а из воды, аммиака, двуокиси углерода и метана - атмосфера. Такая атмосфера называется «вос­становительной», поскольку не содержит свободного кислорода. При падении температуры на поверхности Земли ниже 1000C образовались первичные водоемы. Под действием электрических разрядов, тепловой энер­гии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси происходил синтез органических веществ-мономеров, кото­рые локально накапливались и соединялись друг с дру­гом, образуя полимеры. Можно допустить, что тогда же одновременно, с полимеризацией шло образование над­молекулярных комплексов-мембран.

По однотипным правилам синтезировались в «первичном бульоне» гидросферы Земли полимеры всех типов: аминокис­лоты, полисахариды, жирные кислоты, нуклеиновые кислоты, смолы, эфирные масла и др. Это предположение было провере­но экспериментально в 1953 году на установке Стэнли Мил­лера, которому удалось получить многие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряд аминокис­лот, аденин и простые сахара. Позднее в сходном эксперимен­те были синтезированы нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты).

Органические вещества скапливались в сравнительно не­глубоких водоемах, прогреваемых Солнцем. Солнечное излу­чение доносило до поверхности Земли ультрафиолетовые лу­чи, которые в наше время сдерживаются озоновым слоем атмо­сферы. Так энергией обеспечивалось протекание химических реакций между органическими соединениями и синтез поли­меров.    

Первичные клетки предположительно возник­ли при помощи молекул жиров (липидов).

Молекулы воды, смачивая только гидрофильные кон­цы молекул жиров, ставили их как бы «на голову», гид­рофобными концами вверх. Таким способом создавал­ся комплекс упорядоченных молекул жиров, которые за счет прибавления к ним новых молекул постепенно от­граничивали от всей окружающей среды некоторое про­странство, которое и стало первичной клеткой, или коацерватом — пространственно обособившейся цело­стной системой. Коацерваты оказались способными поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечивало возможность первичного обмена веществ со средой.       

Таким образом, первичная клеточная структура, по Опарину, представляла собой открытую химическую микроструктуру которая была наделена способностью к первичному обмену веществ, но еще не имела системы для передачи генетической информации на основе нук­леиновых кислот. Такие системы, черпающие из окружа­ющей среды вещества и энергию, могут противостоять нарастанию энтропии и способствовать ее уменьшению в процессе своего роста и развития, что является харак­терным признаком всех живых систем.

Естественный отбор сохранял те системы, в ко­торых были более совершенными функция обме­на веществ и приспособленность организма в це­лом к существованию в данных условиях внешней среды.

В ходе естественного отбора выжили системы, имевшие особое строение белковых полимеров, что обусловило появление третьего качества живо­го - наследственности (специфичной формы пе­редачи информации).

Концепция А. И. Опарина в научном мире весьма попу­лярна. Сильной ее стороной является точное соответствие тео­рии химической эволюции, согласно которой зарождение жиз­ни - закономерный результат. Аргументом в пользу этой кон­цепции служит возможность экспериментальной проверки ее основных положений в лабораторных условиях.

Слабой стороной концепции А. И. Опарина является до­пущение возможности самовоспроизведения коацерватных структур в отсутствие систем, обеспечивающих генетическое кодирование. В рамках концепции Опарина не решена глав­ная проблема - о движущих силах саморазвития химических систем и перехода от химической эволюции к биологической, о причине таинственного скачка от неживой материи к живой.

§2.2 Гипотеза Г. Моровица

Спустя более полувека после публикации Опарина большинство биологов не сомневаются: жизнь на Земле возникла в результате цепочки химических событий, подчиняющихся законам физики, химии и динамики сложных систем.

Эта идея убедительно и весьма аргументировано отстаивается Гарольдом Моровицем в его брошюре «Начала клеточной жизни». Внимательное рассмотрение и анализ основных элементов жизни четко указывает на то, что корни клеточной жизни следует искать в универсализме физики и биохимии, существовавшем задолго до начала эволюции живых клеток. Определив основные физические и химические принципы, управлявшие формированием протоклеток, Моровиц задается вопросом: как могла материя, подчиненная этим принципам и подверженная воздействию имевшихся в те времена на земной поверхности энергетических потоков, самоорганизоваться таким образом, чтобы произвести на свет различные виды протоклеток и, наконец, первую живую клетку?

Мы также знаем, что жизнь началась в воде и что клеточная жизнь по-прежнему протекает в водной среде. Моровиц отмечает, что молекулы воды (Н2О) существенно электрически поляризованы, потому что электроны в них располагаются ближе к атому кислорода, чем водорода, так что эффективный заряд последнего оказывается положительным, а кислорода — отрицательным. Эта полярность является важнейшей чертой молекулярных биохимических процессов биохимии, в частности, как мы увидим ниже, формирования мембран.

Идея о том, что небольшие молекулы в первичном «химическом бульоне» самопроизвольно собирались во все более сложные структуры, противоречит всему нашему опыту изучения простых химических систем. По этой причине многие ученые доказывали, что шансы такой пребиотической эволюции исчезающе малы, если только не имел места какой-либо изначальный толчок — например, занесение на Землю макромолекул метеоритами.

Сегодня наша отправная точка для разрешения этой загадки совершенно иная. Специалисты пришли к выводу, что изъян обычной аргументации состоит в убеждении, будто жизнь непременно должна была возникнуть из первичного химического бульона путем последовательного увеличения молекулярной сложности. Новое же мышление, как неоднократно подчеркивает Моровиц, начинается с гипотезы, что очень давно, еще до увеличения молекулярной сложности, определенные молекулы собрались в примитивные мембраны, спонтанно образовавшие замкнутые пузырьки, и что эволюция молекулярной сложности происходила внутри них, а не в хаотичном химическом бульоне.

Как показывает Моровиц, внутренний объем таких пузырьков представлял собой замкнутую микросреду, в которой могли происходить направленные химические реакции, а значит, в больших количествах накапливаться молекулы, редкие в обычных условиях. В число таких молекул, в частности, входили те, что могли послужить строительным материалом для самой мембраны — встраиваясь в нее, они тем самым расширяли ограниченное ею пространство. На каком-то этапе такого роста стабилизирующие силы оказывались уже не в состоянии поддерживать целостность мембраны и пузырек лопался, образуя два или более новых пузырька.

Подобные процессы роста и самовоспроизводства возможны только в том случае, если мембрану пронизывает поток материи и энергии. Моровиц предлагает довольно разумное описание того, как это могло происходить. Мембраны пузырьков были полупроницаемыми, что позволяло различным мелким молекулам проникать внутрь или встраиваться в мембрану. Среди них могли оказаться хромофоры — молекулы, поглощающие солнечный свет. Их присутствие создавало разность электрических потенциалов вдоль мембраны, и пузырек таким образом превращался в устройство, преобразующее солнечную энергию в электрическую. В свою очередь, возможность такого преобразования позволяла непрерывному потоку энергии управлять химическими процессами внутри пузырька. Этот энергетический сценарий приобрел еще большую утонченность, когда химические реакции внутри пузырька привели к образованию фосфатов, являющихся весьма эффективными преобразователями и переносчиками химической энергии.

Моровиц также указывает, что поток материи и энергии необходим не только для роста и воспроизводства пузырьков, но и вообще для сколько-нибудь длительного существования устойчивых структур. Все такие образования возникают в результате случайных событий химического характера и подвержены тепловой смерти, а значит, они по самой своей природе неравновесны и могут сохраняться лишь благодаря постоянной переработке материи и энергии. Теперь для нас должно быть очевидно, что в этих примитивных ограниченных мембранами пузырьках в рудиментарной форме уже проявились две определяющие характеристики клеточной жизни. Пузырьки были открытыми системами, пронизываемые непрерывным потоком материи и энергии, в то время как их внутренность представляла собой относительно замкнутое пространство, в котором вполне могли установиться сети химических реакций.

На этом этапе все было готово для начала пребиотической эволюции. В большой совокупности пузырьков должно было проявляться множество различий в химических свойствах и структурных компонентах. И если эти различия сохранялись при делении пузырьков, то можно говорить о прегенетической памяти и о различных видах пузырьков. Далее, необходимость соперничать друг с другом за энергию и различные молекулы из окружающей среды порождала среди пузырьков своего рода дарвиновскую борьбу за существование и естественный отбор, благодаря которым определенные случайные события молекулярного характера могли получать преимущество соответственно их эволюционной ценности и становиться более частыми. Кроме того, слияние различных видов пузырьков могло приводить к совместному проявлению полезных химических свойств, предвосхищая явление симбиогенеза (возникновения новых форм жизни в результате симбиоза организмов) в биологической эволюции.