Необходимым начальным звеном зарождения жизни на Земле следует считать абиогенное (то есть не связанное с живой материей) образование органических веществ. Простейшими из таких веществ являются углеводороды, т.е. органические соединения, молекулы которых состоят только из атомов углерода и водорода.
Недаром всю органическую химию часто определяют как химию углеводородов и их производных. Обязательным условием для абиогенного образования углеводородов является наличие водорода в свободном или связанном виде. Это условие легко выполняется, так как водород является основным элементом нашей Галактики и широко представлен в большинстве космических объектов. Земля не представляет в этом отношении какого-то исключения. Образование углеводородов происходило как на стадии возникновения планеты, так и позднее, при формировании земной коры, образовании водной и газовой оболочек.
В современную эпоху существования Земли подавляющая масса органических соединений синтезируется биологическим путем. Поэтому сейчас абиогенный путь образования углеводородов отошел на задний план, мы с трудом можем обнаружить лишь его слабые проявления. На безжизненной Земле этот путь был основным для возникновения органических веществ. Дальнейшее абиогенное превращение первичных углеводородов явилось вторым шагом к возникновению жизни.
|
|
Атмосфера Земли в то время кардинально отличалась от современной по своему химическому составу. Современная атмосфера, как известно, очень богата свободным кислородом. Однако этот газ является порождением деятельности земных организмов, и если бы сейчас погибла вся растительность, то исчез бы и свободный кислород. Он был бы сравнительно быстро (в течение нескольких тысячелетий) полностью поглощен ненасыщенными в отношении его изверженными горными породами.
Первичная атмосфера носила восстановительный характер. Правда, при формировании нашей планеты свободный водород был ею утрачен, но обилие этого элемента в исходном материале оказало существенное влияние на состав соединений земной поверхности. Поэтому атмосфера безжизненной Земли в основном состояла из водородных соединений: паров воды (Н2О), аммиака (NH3), сероводорода (H2S) и т. д. Что же должно было произойти с углеводородами в условиях первичной атмосферы?
Ученые пытались экспериментально воспроизвести эти условия. С. Миллер (США) в 50-х гг. XX в. пропускал электрические разряды через смесь паров воды, аммиака, метана и водорода. При этом возникали аминокислоты — те основные «кирпичи», из которых построены молекулы белков. Аналогичные эксперименты были проведены многими учеными. В результате абиогенным путем получались не только аминокислоты, но и пиримидиновые основания — молекулярные звенья в цепи частиц нуклеиновых кислот.
|
|
Переходя из атмосферы в гидросферу, образовавшиеся таким образом органические вещества продолжали свои взаимные превращения. В частности, экспериментально была продемонстрирована возможность полимеризации аминокислот и гетероциклических оснований. Так образовывались высокомолекулярные вещества типа белков и нуклеиновых кислот. Правда, расположение мономеров в таких полимерах носило случайный характер.
Итак, в определенный период существования нашей планеты, около 3,5 млрд. лет назад, воды ее гидросферы превратились в раствор разнообразных органических соединений, образовался своеобразный «питательный бульон». Это, конечно, еще не живой организм. Химические превращения в нем, образование и распад органических соединений коренным образом отличались от того порядка, который свойствен живым организмам.
В последних отдельные реакции строго согласованы в одной цепи обмена веществ. Поэтому порядок совершающихся здесь процессов строго целенаправлен и способен приводить к постоянно повторяющемуся синтезу весьма сложных и специфических соединений, которые таким образом могут быстро накапливаться в живой клетке в значительных количествах.
В основе указанного порядка лежит следующее: органические вещества могут реагировать в очень разнообразных направлениях, они обладают очень большими химическими возможностями, но вне живого организма, в простом растворе они используют свои возможности крайне «лениво», медленно. Напротив, в живых организмах превращения органических веществ протекают исключительно быстро. Причина этого заключается в каталитических свойствах белков— ферментов. Как и в простом водном растворе органических веществ, в первичном «питательном бульоне» химические превращения не носили какого-то направленного, организованного характера. Любое вещество могло изменяться здесь самыми различными путями, и отдельные реакции перекрещивались между собой самым причудливым образом. Поэтому здесь могло возникнуть большое разнообразие всевозможных органических соединений и их полимеров, но чем сложнее и специфичнее было данное вещество и чем большее число реакций должно было участвовать в его образовании, тем это последнее было менее вероятным.
Поэтому легко представить себе возможность широко идущего абиогенного образования сахаров, аминокислот, пуриновых и пиримидиновых оснований, а также их неспецифических полимеров. Однако крайне невероятным является образование здесь белков или нуклеиновых кислот, наделенных специфическим строго определенным взаиморасположением аминокислотных или мононуклеотидных остатков. Жизнь могла возникнуть только на основе длительного усовершенствования целостных многомолекулярных систем, выделившихся из первичного «питательного бульона». Вначале эти системы были очень примитивными, сходными по своему химическому составу с окружающей их внешней средой, но уже способными взаимодействовать с нею благодаря своему обособлению. Возникновение таких систем не представляет собой чего-либо особенного. Первоначально это были просто изолировавшиеся участки «первичного бульона». Дело в том, что даже при простом смешивании растворов разнообразных белков и других подобных веществ может легко наступить нарушение равномерности распределения этих веществ во всем объеме растворителя. При этом их молекулы собираются в целые рои или кучи. Когда такого рода образования достигают известной величины, они выделяются из раствора в форме видимых под микроскопом коацерватных капель, плавающих в окружающей их равновесной жидкости, от которой они отделены хорошо выраженной поверхностью раздела. Возникновение коацерватных капель являлось обязательным следствием образования в водах первородного океана белковоподобных и других высокомолекулярных органических полимеров. Современный носитель жизни — протоплазма — тоже ведь обладает строением комплексного коацервата.
|
|
Уже на начальной стадии развития коацерватов возникает известный «отбор» исходных систем по признаку соответствия их организации задаче сохранения, данной капли в условиях ее непрерывного взаимодействия с окружающей внешней средой. Именно на основе этой новой, появившейся в самом процессе становления жизни закономерности и происходило формирование обмена веществ: такого сочетания отдельных реакций, которое в своей совокупности является «целенаправленным» к постоянному самосохранению и самовоспроизведению живых систем в данных условиях внешней среды.
Для первоначального сочетания небольшого числа реакций в коацерватной капле было достаточно действия относительно простых катализаторов. Такими дошедшими до нас катализаторами на определенной начальной стадии развития обмена могли быть коферменты, число которых очень невелико. Повсеместное наличие одних и тех же коферментов во всех без исключения организмах указывает на их большую древность, на то, что они возникли и принимали участие в обмене еще тогда, когда древо жизни не разделилось на отдельные ветви.
Но чем длиннее и разнообразнее становились цепи реакций, чем больше усложнялась сетка обмена и росло число реакций в ней, тем согласованность скоростей этих реакций должна была быть строже, а стало быть, тем более совершенными механизмами нужно обладать, чтобы этого достигнуть. Поэтому ранее существовавших малочисленных и слабоспециализированных катализаторов — коферментов — оказалось недостаточно для решения такой сложной задачи, и прогрессивная эволюция биологических систем пошла в направлении создания целого арсенала новых мощных катализаторов -ферментов.
|
|
Присущее современным ферментам поразительное соответствие между их внутримолекулярным строением и осуществляемыми ими биологическими функциями могло возникнуть только в процессе отбора закономерно изменяющихся эволюционирующих целостных систем. Конечно, первично возникшие белковоподобные полимеры были или совсем лишены каталитической активности, или являлись очень плохими катализаторами. Но из множества возникающих таким путем вариантов естественный отбор сохранил только те, участие которых в метаболизме данной системы способствовало ее более длительному существованию, разрастанию и размножению.
В процессе взаимодействия биологических систем с внешней средой и в результате действия естественного отбора непрерывно в течение многих сотен миллионов лет происходило совершенствование как всей живой системы в целом, так и ее отдельных механизмов. Так, например, совершенствовались, все более и более приспосабливаясь к своим биологическим функциям, как белки (ферменты), так и связанные с их синтезом механизмы, в частности, сформировавшиеся к указанному периоду эволюции рибонуклеиновые кислоты.
Подавляющее число возникавших в процессе эволюции каталитических вариантов безвозвратно для нас потеряно. Естественный отбор давно уже смел с лица Земли все те переходные системы, в которых организация обмена была еще весьма несовершенной. Но сравнительное изучение обмена у сохранившихся до наших дней наиболее примитивных организмов дает нам возможность судить о том, как постепенно сложился в организмах новый, исключительно совершенный порядок химических превращений, который так характерен для жизни современных высокоразвитых животных и растений.
Коацерваты, при всей сложности их организации, не были живыми организмами прежде всего потому, что у них нет стабильного самовоспроизведения, жесткой структурной организации, функционального взаимодействия между белками и нуклеиновыми кислотами. Появление таких истинно живых систем — протобионтов — происходило около 3 млрд. лет назад. У протобионтов уже появляется корреляция между нуклеиновыми кислотами и белками, способность синтезировать белки определенного строения в соответствии с информацией, заключенной в нуклеиновой кислоте. Одновременно у них совершенствуется мембранный аппарат, обеспечивающий упорядоченность обмена веществ, поддержание стабильности системы. И, главное, они приобретают способность к самовоспроизведению.
Структурное усложнение и функциональное совершенствование протобионтов привело к появлению организмов, имеющих клеточную организацию — первичных прокариотных организмов — бактерий. С этого момента начинает осуществляться биологическая эволюция организмов. Единственным источником питания для первичных организмов могли вначале служить только те органические вещества, которые возникли раньше чисто абиогенным путем. В соответствии с этим способность к органическому питанию заложена в самой основе жизни, присуща всем без исключения живым существам. Отсутствие свободного кислорода в первичной земной атмосфере и гидросфере обусловило анаэробный характер энергетического обмена первичных организмов. Поэтому, как показывают данные сравнительной биохимии, анаэробный обмен лежит в основе энергетики всех без исключения современных организмов.
В процессе развития жизни запас абиогенно образовавшихся органических веществ на земной поверхности постепенно истощался, так как развитие жизни шло быстрее образования этих веществ. Это изменение условий существования выдвинуло на первый план развития такие организмы, которые благодаря приобретенной ими способности поглощать свет получили возможность строить заново органические вещества из неорганического соединения углерода, из углекислоты атмосферы. Таким путем вместо прежнего, весьма несовершенного и медленного абиогенного способа образования органических веществ возник новый биологический метод синтеза этих веществ — фотосинтез. Он осуществлялся на основе обмена веществ очень совершенными путями и поэтому в дальнейшем приобрел главенствующее, монопольное значение, которое сохранил и до наших дней. Возникновение фотосинтеза изменило всю обстановку жизни на Земле. Часть организмов сама стала строить потребные им органические соединения, другая часть сохранила прежние формы питания, используя те органические вещества, которые возникали теперь уже биогенным путем. На этой основе произошло разделение организмов на мир растений и мир животных.
Возникновение фотосинтеза не только создало изобилие органических веществ, но и привело к появлению свободного кислорода, до этого отсутствовавшего на земной поверхности. Оно изменило весь характер происходивших здесь химических процессов и позволило большинству живых существ значительно усовершенствовать свой энергетический обмен, надстроив над прежним анаэробным обменом новые системы кислородного дыхания и таким образом целиком используя скрытую в органических веществах энергию.