6.1.6. Теория биохимической эволюции

Гипотеза А. И. Опарина о возникновении жизни на Земле опирается на представление о постепенном усложнении химической структуры и морфологического облика предшественников жизни (пробионтов) на пути к живым организмам. На стыке моря, суши и воздуха создавались благоприятные условия для образования сложных органических соединений. В концентрированных растворах белков, нуклеиновых кислот могут образовываться сгустки подобно водным растворам желатина.

А. И. Опарин назвал эти сгустки коацерватными каплями или коацерватами. Коацерваты - это обособленные в растворе органические многомолекулярные структуры. Это еще не живые существа. Их возникновение рассматривают как стадию 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. Так возникло главное свойство, характерное для жизни - способность к воспроизведению подобных себе молекул.

Жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам. Теория происхождения первых живых существ из неживой материи была выдвинута Пфлюгером, Дж. Холдейном и Р. Бейтнером, но особенно детально она разработана советским биохимиком академиком А. И. Опариным в его книге «Возникновение жизни» (1936). Ещё в 1923 г. он высказал мнение, что атмосфера первичной Земли была не такой как сейчас. Она состояла из простых соединений, содержащих воду, аммиак, двуокись углерода и метан. До тех пор пока температура Земли не упала ниже 100°C вся вода находилась в парообразном состоянии. Атмосфера, видимо, была восстановительной*. Отсутствие в атмосфере кислорода было необходимым условием возникновения жизни.

Исходя из теоретических предположений, он полагал, что органические вещества, возможно углеводороды, могли создаваться в океане из более простых соединений; энергию для этих реакций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнечная радиация. Разнообразие находившихся в океане соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался тот «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь. Главной проблемой для этой теории является необходимость объяснить появление способности живых систем к самовоспроизведению.

Чтобы определить вероятность возникновения белков, необходимых для функционирования простейшей клетки в результате случайного взаимодействия аминокислот английский астроном, Ф. Хойл и математик Ч. Викрамасингх произвели следующие вычисления. В жизнедеятельности простейшей бактерии участвует примерно 2000 различных белков, состоящих в среднем из 300 аминокислот. Функции и свойства белка зависят от последовательности, в которой аминокислоты расположены в его цепи. Поскольку в состав белков входит 20 типов аминокислот, вероятность образования белка с заданной последовательностью аминокислот равняется 1·20. Существует определённый диапазон, в пределах которого последовательность 300 аминокислот может варьировать без заметных изменений свойств белка. Поэтому Хойл и Викрамасингх увеличили вероятность возникновения белка с заданными свойствами до 10. Так как для функционирования клетки необходимо, по крайней мере, 2000 белков, они оценили вероятность случайного возникновения простейшей самовоспроизводящейся системы величиной 1·10⁴⁰⁰⁰⁰. Вероятность такого события практически равна нулю.

Существующие гипотезы пока не в состоянии дать убедительный ответ на этот вопрос. Вот пример одной из таких гипотез, пытающихся объяснить возникновение живого, исходя из поведения такого тривиального явления как капля воды. Группа биофизиков из МГУ рассуждает следующим образом: с точки зрения биофизики основа основ жизни - устойчивое неравновесие, то есть живой организм или отдельная клетка должны обладать запасом энергии, который создается постоянным обменом веществ с окружающей средой. Самый простой способ создания такого неравновесия - асимметричное или, как говорят специалисты, инвертированное распределение ионов натрия и калия.

В результате концентрация нужного элемента в околоклеточной жидкости может достигать десятикратного превосходства по сравнению с окружающей средой. Ведает подобным распределением мембрана, пропускающая какие-то ионы внутрь и не выпускающая их наружу. Но как клетка научилась такой избирательности? В поисках ответа ученые обратили внимание на то, что поверхностный слой океана может накапливать ионы калия и других микроэлементов за счет неравновесных термодинамических процессов между водой и атмосферой. А лабораторные опыты позволили зарегистрировать разность потенциалов в несколько милливольт между поверхностной пленкой и находящейся под ней так называемой объемной фазой. Она образуется морской волной, захватывающей в толщу воды большое количество воздуха, который, поднимаясь, затем создает пену, брызги, пузырьки разного диаметра. Схлопываясь, пузырек воздуха выбрасывает на несколько сантиметров вверх струйку воды, распадающуюся на массу мелких капель. Последние скользят по поверхностной пленке океана, их так и называют - пленочные капли. В них-то и накапливаются ионы калия. Но чтобы стать подобием живой клетки, такой капельке нужна еще и водонепроницаемая оболочка - прообраз клеточной мембраны. Как она может возникнуть? Оказывается, в некоторых районах океана поверхностная пленка содержит жировые или липидные молекулы небиологического происхождения. Они всегда располагаются строго определенным образом, окутывая капельку. Не в таких ли колыбельках зародилась жизнь?