Теория А. И. Опарина и Дж. Холдена. Опыты С. Миллера и Г. Юри.

Одна из наиболее известных теорий абиогенеза и возникновения жизни была создана в первой половине XX в. академиком А. И. Опариным и британским исследователем Дж. Холдэном. Они предположили, что в растворах первичных высокомолекулярных соединений могли самопроизвольно образовываться водяные капельки, покрытые двухслойной липидной оболочкой. Устойчивые двухслойные мембраны получаются из множества различных липидов, жирных кислот, спиртов и других органических соединений, имеющих полярную гидрофильную «голову» и гидрофобный «хвост». Такие молекулы в воде сами собой могут собираться в двухслойные пленки-мембраны: гидрофобные хвосты поворачиваются внутрь, подальше от воды, а гидрофильные «головы» торчат наружу, образуя оба слоя мембраны. Опарин назвал их коацерватные капли или просто коацерваты (от лат. coacervatio — сгусток, куча). Первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липидов, синтезированных абиогенным путем. В определенных условиях эти капли могли расти и делиться. Белки внутри этих капель эволюционировали, и часть из них приобрела свойства ферментов — начались первые биохимические реакции. Капли росли, распадались на части. Эти первичные белково-липидные капли рассматриваются в теории А. И. Опарина как прообразы первых клеток — протобионтов. Конечно, коацерваты нужно рассматривать не как истинные предшественники клеток, а как модельную конструкцию (рис. 7.1).

Теоретические посылки А. И. Опарина и Дж. Холдена в 1950-е гг. были экспериментально подтверждены в опытах С. Миллера и Г. Юри. Ими было показано, что из воды, метана, аммиака и водорода при притоке энергии извне (электрические разряды и температура), возникли аминокислоты, сахара, простые карбоновые и жирные кислоты. В природе необходимая энергия поставлялась очень интенсивным ультрафиолетовым облучением, теплом вулканических процессов, ионизирующим излучением радиоактивного распада и электрическими разрядами. Источником необходимой для возникновения биомолекул энергии могли также служить и окислительно-восстановительные процессы между вулканическими газами (восстановитель) и частично окисляющими сульфидными минералами, например, пиритом (FeS2).

В дальнейшем из этих соединений могли образовываться более сложные органические соединения, включая белки и нуклеиновые кислоты. Современный анализ проб, оставшихся после опытов Миллера — Юри, показал, что в них оказалось даже большее количество аминокислот, чем определил С. Мюллер. Из появляющихся при эксперименте промежуточных продуктов (альдегидов и синильной кислоты (HCN)) теоретически можно получить и остальные виды важнейших органических молекул сахара, жиры, нуклеотиды, сложные аминокислоты. В 1961 г. в лабораторных условиях из альдегидов был осуществлен синтез аде- нина — одного из важнейших нуклеотидов. Из рибозы, аденина и фосфатов мог возникнуть аденозинтрифосфат (АТФ), который использовался в организмах в качестве универсального энергоносителя и строительного элемента для синтеза рибонуклеиновых кислот (РНК).

Схема возможного происхождения клеток по теории А. И. Опарина

Рис. 7.1. Схема возможного происхождения клеток по теории А. И. Опарина

В 1980-е гг. возникла альтернативная гипотеза немецкого ученого Гюнтера Вехтерхойзера, согласно которой возникновение органических молекул абиотическим путем могло происходить на заре развития жизни на поверхности железо-серных минералов (сульфидов). Особенно это касается сульфида железа (FeS2 — пирита). Необходимая для этого энергия выделялась при восстановлении окисленного пирита (или других железо-серных минералов). Энергия шла на абиогенный синтез биомолекул и их дальнейшей полимеризации:

Пириты обладают еще одним важным свойством — имеют на своей поверхности положительный заряд, притягивающий биомолекулы, которые имеют преимущественно отрицательный заряд. Необходимые для этого соединения (NH3, Н2, СО, С02, СН4, H2S) могли поступать из газов наземных или подводных вулканов. В 2003 г. было экспериментально доказано, что сульфид железа может катализировать синтез аммиака из молекулярного азота. Эти реакции могут проходить при очень высоких температурах (до 350°С), что характерно для ранних этапов развития Земли.

Ряд исследователей рассматривают в качестве определенных катализаторов синтеза органических соединений и другие минеральные соединения, например монтмориллониты, входящие в состав глин. Кристаллические поверхности этих минералов могли служить матрицей для растущих макромолекул. Было показано, что в водных растворах глин проходила сборка белковых молекул в несколько десятков аминокислотных остатков.

Таким образом, первый этап развития органической жизни — биохимический, получил определенное подтверждение. Но второй этап — генетический — не был решен. Как в коацерватах передавалась информация при делении, как она сохранялась в поколениях? Белки явно не подходят к этой роли.

В последние годы, среди биологов начало формироваться убеждение, что первичными молекулами «жизни» были не белки, а молекулы РНК (рис. 7.2).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >