Какие свойства коацерватов позволяют считать их предшественниками первых живых организмов

Процесс формирования первых органических соединений на Земле называют химической эволюцией. Она предшествовала биологической эволюции. Этапы химической эволюции были выделены А.И.Опариным.
I этап — небиологический, или абиогенный (от греч. u, un — отрицательная частица, bios — жизнь, genesis — происхождение). На этом этапе в атмосфере Земли и в водах первичного океана, насыщенных разнообразными неорганическими веществами, в условиях интенсивного солнечного излучения происходили химические реакции. В ходе этих реакций из неорганических веществ могли сформироваться простые органические вещества — аминокислоты, простые углеводы, спирты, жирные кислоты, азотистые основания.
Возможность синтеза органических веществ из неорганических в водах первичного океана подтвердилась в опытах американского ученого С.Миллера и отечественных ученых А.Г.Пасынского и Т.Е.Павловской.
Миллер сконструировал установку, в которую помещалась смесь газов — метана, аммиака, водорода, паров воды. Эти газы могли входить в состав первичной атмосферы. В другой части аппарата находилась вода, которая доводилась до кипения. Газы и водяной пар, циркулировавшие в аппарате под высоким давлением, в течение недели подвергались воздействию электрических разрядов. В результате в смеси образовалось около 150 аминокислот, часть из которых входит в состав белков.
Впоследствии экспериментально подтвердилась возможность синтеза и других органических веществ, в том числе и азотистых оснований.
II этап — синтез белков — полипептидов, которые могли образоваться из аминокислот в водах первичного океана.
III этап — появление коацерватов (от лат. coacervus — сгусток, куча). Молекулы белков, обладающие амфотерностью, при определенных условиях могут самопроизвольно концентрироваться и образовывать коллоидные комплексы, которые получили название коацерватов.
Коацерватные капли образуются при смешивании двух разных белков. Раствор одного белка в воде прозрачен. При смешивании разных белков раствор мутнеет, под микроскопом в нем заметны плавающие в воде капли. Такие капли — коацерваты могли возникнуть в водах 1000 первичного океана, где находились разнообразные белки.
Некоторые свойства коацерватов внешне сходны со свойствами живых организмов. Например, они «поглощают» из окружающей среды и избирательно накапливают определенные вещества, увеличиваются в размерах. Можно предположить, что внутри коацерватов вещества вступали в химические реакции.
Поскольку химический состав «бульона» в разных частях первичного океана различался, неодинаковы были химический состав и свойства коацерватов. Между коацерватами могли формироваться отношения конкуренции за вещества, растворенные в «бульоне». Однако коацерваты нельзя считать живыми организмами, так как у них отсутствовала способность к воспроизведению себе подобных.
IV этап — возникновение молекул нуклеиновых кислот, способных к самовоспроизведению.

Исследования показали, что короткие цепи нуклеиновых кислот способны удваиваться вне всякой связи с живыми организмами — в пробирке. Возникает вопрос: как появился на Земле генетический код?
Американский ученый Дж.Бернал (1901-1971) доказал, что минералы играли большую роль в синтезе органических полимеров. Было показано, что ряд горных пород и минералов — базальт, глины, песок — обладает информационными свойствами, например, на глинах может осуществляться синтез полипептидов.
Видимо, первоначально сам по себе возник «минералогический код», в котором роль «букв» играли катионы алюминия, железа, магния, чередующиеся в различных минералах в определенной последовательности. В минералах возникает трех-, четырех- и пятибуквенный код. Этот код и определяет последовательность соединения аминокислот в белковую цепь. Потом роль информационной матрицы перешла от минералов к РНК, а затем к ДНК, которая оказалась более надежной для передачи наследственных признаков.
Однако процессы химической эволюции не объясняют, как возникли живые организмы. Процессы, которые привели к переходу от неживого к живому, Дж.Бернал назвал биопоэзом. Биопоэз включает этапы, которые должны были предшествовать появлению первых живых организмов: возникновение мембран у коацерватов, метаболизма, способности к самовоспроизведению, фотосинтеза, кислородного дыхания.
К появлению первых живых организмов могло привести образование клеточных мембран путем выстраивания молекул липидов на поверхности коацерватов. Это обеспечивало стабильность их формы. Включение в состав коацерватов молекул нуклеиновых кислот обеспечило их способность к самовоспроизведению. В процессе самовоспроизведения молекул нуклеиновых кислот возникали мутации, которые служили материалом для естественного отбора.
Так на основе коацерватов могли возникнуть первые живые существа. Они, по-видимому, являлись гетеротрофами и питались богатыми энергией сложными органическими веществами, содержащимися в водах первичного океана.
По мере увеличения численности организмов конкуренция между ними обострялась, так как запасы питательных веществ в водах океана уменьшались. У некоторых организмов появилась способность к синтезу органических веществ из неорганических с использованием солнечной энергии или энергии химических реакций. Так возникли автотрофы, способные к фотосинтезу или хемосинтезу.
Первые организмы были анаэробами и получали энергию в ходе реакций бескислородного окисления, например брожения. Однако появление фотосинтеза привело к накоплению в атмосфере кислорода. В результате возникло дыхание — кислородный, аэробный путь окисления, который примерно в 20 раз эффективнее гликолиза.
Первоначально жизнь развивалась в водах океана, так как сильное ультрафиолетовое излучение губительно влияло на организмы на суше. Появление озонового слоя в результате накопления кислорода в атмосфере создало предпосылки для выхода живых организмов на сушу.

Основные положения

Теория Опарина о происхождении жизни на Земле базируется на ряде важнейших принципов. Жизнь на планете, согласно взглядам отечественного ученого, зарождалась в три этапа. Сначала возникли органические соединения как таковые. Далее произошло образование белков, полисахаридов и липидов, то есть полимерных соединений. Наконец, процесс завершился появлением примитивных, но уже способных к воспроизводству, живых организмов.

Вторая особенность гипотезы — согласно ей, биологической (биогенной) эволюции предшествовала химическая, которая стала основной причиной появления сложных веществ. Сущность процесса:

1. На формирование сложных соединений оказала влияние атмосфера Земли, лишенная кислорода, а также разряды молний и УФ-лучи солнца.
2. Органические вещества стали основой появления биополимеров, которые, в свою очередь, использовались для образования примитивных форм жизни (пробионтов).
3. Когда в пробионтах появились нуклеиновые кислоты, они получили возможность передавать наследственную информацию и усложняться в следующих поколениях.
4. Результат естественного отбора — выжить смогли лишь те организмы, которые оказались способными к воспроизводству.

Положения теории вполне логичны и вытекают одно из другого. Однако важно понимать то, какая проблема не была решена гипотезой Опарина. Дело в том, что пробионты (или проклетки, прообраз современных клеток) по сей день не изучены досконально. Поэтому непонятно, что именно побудило скопление полимеров перейти от нежилого состояния к дыханию, питанию и воспроизводству.

История и эксперименты

Как и любая другая теория происхождения жизни, гипотеза Опарина подвергалась критике оппонентов и формулировалась в течение продолжительного времени. Прежде всего, основные положения академик опубликовал в труде «Происхождение жизни», в котором предположил, что растворенные в жидкости биополимеры под воздействием внешних условий оказываются способными к образованию коацерватов или коацерватных капель.

Они представляют собой средоточие органического вещества, отделенного от внешней среды посредством мембраны и способное поддерживать обмен с нею. Данный процесс представляет собой предшествующую стадию коагуляции — соединения мельчайших частиц воедино.

Именно эти два процесса являются причиной образования из «первичного бульона» (термин введен в научный обиход академиком) аминокислот. А они, в свою очередь, стали основой всего живого.

Интересно, что независимо от Опарина данным вопросом начал заниматься британский биолог Джон Холдейн, также интересовавшийся зарождением жизни на Земле. Однако во взглядах двух исследователей можно отметить разницу: Холдейн полагал, что в «первичном бульоне» образовывались не коацерваты, а макромолекулярные вещества, также способные к воспроизводству. Таким образом, первичными веществами были нуклеиновые кислоты, а не белки.

Последующая разработка

Следующий этап развития теории — опыты и исследования американского химика Стэнли Миллера, который заинтересовался данным вопросом еще в студенческие годы. Ему удалось воссоздать искусственную среду и получить из неживой материи аминокислоты. Суть эксперимента:

1. В колбах, связанных между собой, были имитированы условия планеты.
2. Колбы заполнили аммиаком, водородом и монооксидом углерода — смесью газов, которые составляли атмосферу Земли раннего периода.
3. Часть системы составляла кипящая вода, пары при этом подвергались воздействию имитирующих молнию разрядов электричества.
4. После охлаждения пар накапливался в нижней трубке в виде конденсата.
5. Через неделю непрерывного процесса в колбе удалось обнаружить сахара, липиды и аминокислоты.

Однако эксперимент Миллера до сих пор критикуется представителями научного мира и не признается доказательством достоверности гипотезы Опарина и Холдейна.

Еще один виток в развитии теории — книга «Эгоистичный ген», изданная Ричардом Докинзом, британским исследователем-биологом, в 1979 году. Здесь ученый предположил, что изначально в первичном бульоне самообразовались способные к воспроизводству молекулы, которые постепенно заполнили океан.

Отличия взглядов и вклад в науку

Рассмотрев основные положения теории Опарина, можно отметить, что они с Холдейном дошли до сходных идей вне зависимости друг от друга. Однако в гипотезах двух ученых имеются и некоторые различия. Основное из них — разное представление о том, какие именно изначальные элементы стали источниками зарождения жизни. Согласно взглядам Опарина, это были белки, Холдейн же полагал, что основную роль сыграли нуклеиновые кислоты.

Другое различие:

1. Русский исследователь — создатель теории — был убежден, что самозарождение жизни из неживой материи, то есть аборигенное, было возможным исключительно в условиях древнейшей атмосферы.
2. Холдейн считал, что первичной была макромолекулярная система, способная к самовоспроизводству, а не коацерватная система.

Вклад Опарина в биологию считается весомым, кратко можно отметить следующие положения. Прежде всего — это серьезная и обоснованная концепция зарождения жизни из «первичного бульона». Кроме того, ученый, действуя в непростых условиях российской действительности 20−30 годов прошлого века, изучал развитие жизни.

Суть теории

Кратко можно сформулировать основные постулаты гипотезы двух авторов: живые организмы появились на планете из неживой материи, однако для этого процесса необходимы были условия, царившие на Земле миллиарды лет назад. Сейчас представляется невозможным полностью воссоздать эту картину, ведь то, что творилось в атмосфере столь глубокой древности, может быть высказано лишь на уровне предположений.

Особенности атмосферы тех лет:

1. Отсутствие кислорода (сейчас его образуют зеленые растения, которые в тот период, конечно, не существовали).
2. Определенный температурный режим — очень жарко.
3. Наличие источников энергии.
4. Обязательное наличие воды.

Кроме того, гипотеза подразумевает и нахождение в атмосфере неорганических веществ, которые стали предшественниками органических соединений.

Согласно теории, можно выделить 5 этапов становления и развития жизни на планете, которые в наглядной форме представлены в таблице.

Идея о составе первичной атмосферы планеты основана на данных других наук, а также анализе оболочек иных планет Солнечной системы. Кроме того, доказательства второй и третьей стадии удалось получить в ходе многочисленных экспериментов по синтезированию жизни.

Развитие и доказательства

Теории происхождения жизни на планете принято подразделять на две большие группы: биогенез — все живое произошло от живого и абиогенез — живая материя образовалась из неживой. Гипотеза Опарина-Холдейна относится ко второму классу. В настоящее время современные исследования позволили несколько видоизменить и дополнить ее.

Сейчас большая часть исследователей полагает, что сначала у организмов возникла способность к самовоспроизведению, а лишь потом — к обмену веществ. Именно самовоспроизведение является основой передачи полезных качеств представителям нового поколения, то есть важнейшим составляющим эволюции в целом и естественного отбора в частности.

Выделяют также и дополнительные источники энергии, под воздействием которого сформировались первые живые организмы. Кроме разрядов молний и УФ-лучей, к ним относят:

• естественную радиоактивность;
• вулканические извержения;
• солнечный ветер.

Все это помогло образованию химических связей. Изменились и представления ученых о составе атмосферы раннего периода, поскольку появились новые объективные данные. В частности, удалось установить, что концентрация углекислого газа была гораздо меньшей, чем полагали авторы гипотезы. Атмосфера планеты очень напоминала ту, которая сейчас наблюдается у Марса и Венеры: состояла в основном из углекислого газа и азота, другие же газы содержались в ней в весьма малой концентрации. Новые данные заставили повторить эксперимент Миллера, однако в его системе указанные вещества не повлекли за собой появления органики.

Сейчас теория о первоисточнике жизни, который автор решил назвать «первичным бульоном», считается устаревшей. На смену ей пришли гипотеза «первичной пиццы» (в соответствии с которой живые организмы появились на минеральных подложках при периодическом высыхании последних) и «первичного майонеза» (выдвинуть ее решил Гарольд Моровиц, суть: клеточные мембраны, а точнее, их примитивные аналоги, существовали до того, как появилась способность к самовоспроизводству).

Кроме того, удалось выявить определенные свойства «первичного бульона», которые делают его неподходящей средой для зарождения жизни:

1. В водной среде белки обладают неустойчивостью, поэтому велик риск их распада. На безжизненной планете для образования соединений аминокислот требовалось избавление от воды, с этой целью можно было использовать лагуны, заливы, а также вулканические районы.
2. «Первичный бульон» лишен границ, вот почему, несмотря на наличие мембран, первичные аминокислоты «растекались», передавая свои клетки соседним, что делало процесс самовоспроизводства невозможным.

Несмотря на выявленные современными исследователями недостатки, гипотеза Опарина и Холдейна стала важнейшим шагом в изучении особенностей появления первых живых организмов на планете. Ученым удалось создать четкую концепцию, которая в дальнейшем стала основой для множества теорий аборигенного зарождения жизни, их отправной точкой.