Биохимическая теория происхождения жизни

В 1923 году советский ученый А.И. Опарин, исходя из теоретических соображений, предположил, что на Земле жизнь возникла постепенно из неорганических веществ путем длительной молекулярной эволюции.

Предполагается, что Земля и другие планеты солнечной системы образовались из газово-пылевого облака около 4,5 млрд лет назад. На первых этапах своего существования Земля имела очень высокую температуру. По мере остывания планеты тяжелые элементы перемещались к центру, а более легкие оставались на поверхности. Например, атомы железа концентрировались в центре, а менее тяжелые атомы кремния и алюминия образовывали земную кору. Самые легкие -оставались во внешних слоях облака и формировали первичную атмосферу Земли. Она состояла из свободного водорода и его соединений: воды, метана, аммиака, цианидов и поэтому носила восстановительный характер: соединения водорода легко вступают в химические реакции, отдавая водород и при этом окисляясь.

Компоненты атмосферы подвергались воздействию различных источников энергии: жесткому коротковолновому излучению Солнца, грозовым разрядам, действию высокой температуры, ударным волнам от метеоритов, попадающих в земную атмосферу. В результате этих воздействий химически простые компоненты атмосферы вступали во взаимодействие, изменяясь и усложняясь. Возникли молекулы сахаров, аминокислот, азотистые основания, органические кислоты (уксусная, муравьиная, молочная) и другие простые органические соединения.

Отсутствие в атмосфере кислорода и восстановительная среда являлись необходимым условием возникновения органических молекул небиологическим путем. Кислород взаимодействует с органическими веществами и разрушает их или лишает тех свойств, которые были бы полезны для предбиологических систем. Поэтому, если бы органические молекулы на первобытной Земле соприкасались с кислородом, то они существовали бы недолго и не успевали бы образовывать более сложные структуры.

В 1953 году американский ученый Стенли Миллер в ряде экспериментов смоделировал условия, предположительно существовавшие на первобытной Земле. Герметичная колба с парами воды, аммиака, метана, синильной кислоты и углекислым газом подвергалась действию высоких температур и электрических разрядов. Результатом этих воздействий было образование жирных кислот, мочевины, сахаров и аминокислот. Позднее, во всех подобных экспериментах при отсутствии кислорода удавалось получить широкий набор различных органических продуктов. Оказалось, что абиогенным путем могут быть синтезированы многие простые соединения, входящих в состав биологических полимеров: белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов.

Все это свидетельствует о том, что органические соединения могли возникать чисто химическим путем в условиях, существовавших на Земле около 4 млрд лет назад. Необходимыми условиями этого являются:

1. Отсутствие кислорода и восстановительный характер атмосферы;

2. Высокая температура;

3. Источники энергии (излучение Солнца, грозовые разряды и т.д.)

Следующим этапом стало образование полимеров из мономеров:

По мере охлаждения Земли, водяной пар, содержащийся в атмосфере, конденсировался, на поверхность Земли обрушивались дожди, образуя большие водные пространства. Реакция полимеризации первичных звеньев в водном растворе не идет, так как при соединении друг с другом двух аминокислот или двух нуклеотидов отщепляется молекула воды. Скорость расщепления (гидролиза) биополимеров будет больше, чем скорость их синтеза. Ясно, что биополимеры не могли возникнуть сами в первичном океане. Возможно, первичный синтез биополимеров шел при замораживании первичного океана или же при нагревании сухого его остатка. Есть и такая точка зрения, что синтез происходил непосредственно в первичной атмосфере и образующиеся соединения выпадали в первичный океан в виде частиц пыли.

Так возникли прообразы современных белков и нуклеиновых кислот. Среди случайно образующихся полипептидов могли быть такие, которые обладали каталитической активностью и могли ускорять процессы синтеза полинуклеотидов.

Образование агрегатов-коацерватов

Опарин полагал, что в результате абиотического синтеза в океанах постепенно накапливались органические вещества и образовывался так называемый «первичный бульон». Благодаря особым свойствам белковых молекул (амфотерности) они могли объединяться и образовывать более крупные структуры. Органические молекулы в водном растворе окружены водной оболочкой, толщина которой зависит от величины заряда молекулы. Такие молекулы могут объединяться друг с другом, образуя коацерваты.

Такие агрегаты–коацерваты избирательно поглощают из окружающей среды вещества, так что они накапливаются в них в определенных количествах, создавая внутри среду, отличную от окружающей. На границе между коацерватами и внешней средой встраивались липиды, что приводило к образованию примитивной мембраны, обеспечивающей коацервату стабильность. Из первичного океана некоторые коацерваты могли поглощать нуклеотиды – предшественники нуклеиновых кислот. Присутствие же в агрегате белковых молекул, способных катализировать полезные для него реакции, придавали стабильность и обеспечивали более длительное существование. В условиях конкуренции происходил естественный отбор коацерватов. Так, по мере роста и ассоциации агрегатов, по мнению Опарина, могли возникнуть первые клетки.

Условиями, необходимые для развития жизни являются:

1. Наличие определенных химических веществ (первичного бульона);

2. Наличие источника энергии (солнечное излучение);

3. Отсутствие кислорода;

4. Безгранично долгое время. При наличии фермента то или иное превращение вещества завершается за 1-2 секунды, тогда как при отсутствии ферментов, для того же превращения могут потребоваться миллионы лет. Однако, при наличии достаточного времени, даже самые маловероятные события могли бы произойти рано или поздно.

Тем не менее, с точки зрения теории вероятности, возможность синтеза сверхсложных биомолекул при условии случайных соединений их составных частей крайне низка. Академик С.П. Костычев, который сам был приверженцем теории панспермии и критиковал теорию Опарина писал: «Вероятность самопроизвольного возникновения жизни из неорганических молекул, равна вероятности возникновения фабрики – с трубами, котлами, машинами из неорганических веществ путем естественных процессов! А любой простейший организм много сложнее всякой фабрики, значит его случайное возникновение еще менее вероятно».