8.8. Физико-химические предпосылки для зарождения жизни на Земле

Как известно, возраст Земли составляет примерно 5 млрд лет. Жизнь на Земле существует порядка 3,5–3,7 млрд лет. Так, признаки деятельности первых живых организмов обнаружены в докембрийских породах. Как видно, жизнь по «возрасту своему» является почти ровесницей Земли. Отсюда следует, что само происхождение жизни на Земле тесно связано с протеканием определенных химических процессов и реакций на поверхности нашей планеты.

Начальный этап этого процесса (появления жизни) связан с геологической эволюцией Земли. На первых этапах своей истории наша планета была очень горячей (4–8 тыс. °С). По мере остывания вследствие вращения атомы тяжелых элементов смещались к центру. На поверхностных слоях концентрировались атомы легких элементов, таких как углерод, азот, водород, кислород. При дальнейшем охлаждении Земли появились химические соединения: метан, вода, двуокись углерода, аммиак, молекулярный водород, азот. В этой атмосфере присутствовали лишь следы свободного кислорода. Она была богата инертными газами: неоном, аргоном, гелием.

Физические и химические свойства воды (высокая теплоемкость, вязкость, полярность, агдезия, когезия, хороший растворитель и т. д.) и углерода (способность образовывать линейные соединения, трудность образования оксидов, способность к восстановлению, ковалентная связь) определили роль воды и углерода в зарождении жизни.

Образование простых органических соединений

Первичная атмосфера Земли на начальных этапах эволюции планеты носила восстановительный характер, поскольку практически не содержала свободного кислорода. Понижение температуры способствовало переходу некоторых газообразных соединений в жидкое и твердое состояния. При падении температуры поверхности Земли ниже 100 °C произошла конденсация водяных паров с сильнейшими ливнями и грозами. Это привело к образованию первичных водоемов. Активная вулканическая деятельность Земли выносила в водную среду наряду с другими соединениями множество соединений металлов с углеродом, карбидов. В результате соединения карбидов с водой образовывались углеводородные соединения. Теплая дождевая вода имела в своем составе углеводородные соединения, газы (СО₂,NН₃ и др.), соли, которые вступали в химические реакции. Образовывались и углеродисто-азотистые группы – N = С = N-. Постепенно в водной среде на поверхности нашей молодой планеты стали накапливаться простейшие органические соединения.

Образование сложных органических соединений

Следующий этап биогенеза характеризовался образованием уже более сложных органических соединений, созданием белковых веществ. Повышенная температура в водах океана, мощное ультрафиолетовое излучение Солнца (тогда озоновый слой отсутствовал), грозовые электрические разряды создавали мощный энергетический фон, благодаря которому простые молекулы органических веществ при взаимодействии с другими химическими соединениями и между собой постепенно усложнялись. Это усложнение привело к образованию различных полимеров: полисахаридов, аминокислот, жирных кислот, нуклеиновых кислот. Это предположение экспериментально было подтверждено американским ученым биологом С. Миллером в 1953 г. на специально сконструированной установке. При этом были получены сахара и целый ряд аминокислот. Позже в аналогичных экспериментах в условиях лаборатории была доказана возможность получения сложных биохимических соединений, в том числе и белковых молекул, а также азотистых оснований нуклеотидов. Данные опыты показали возможность образования молекул белка в искусственных условиях.

Образовавшиеся сложные органические вещества скапливались в водах первичного океана, особенно в его прибрежных, хорошо прогреваемых частях, образуя первичный «бульон». Его насыщению способствовала и деятельность подземных вулканов. В таком «бульоне» предположительно мог развиваться процесс образования сложных органических макромолекул.

Химический состав живой природы

Состав живых организмов насчитывает всего 16 химических элементов, в то время как неживая природа – более 110 элементов. Из 16 элементов живой природы четыре элемента – углерод, водород, кислород и азот – составляют 99 % массы живого вещества. Связано это с особенностями физических и химических свойств этих элементов – валентностью, способностью образовывать прочные ковалентные связи между атомами. В живом организме главным элементом является углерод. В основе живого лежат углеродные соединения, где атомы углерода связываются между собой прочной ковалентной связью. Это обеспечивает стабильность и прочность как химического соединения, так и живого организма в целом. Атомы углерода способны образовывать длинные разветвленные цепочки как друг с другом, так и с атомами кислорода, водорода, азота. По существу, все живое – это «углеродные» тела. Раньше полагали, что молекулы углерода присущи только живому. Поэтому соединения углерода получили названия органических. В природе соединений углерода существует гораздо больше, чем соединений других элементов таблицы Менделеева, причем большая их часть не связана с живыми организмами.

В состав живого входят также такие макроэлементы, как фосфор, сера, калий, кальций, магний, железо, натрий. Они образуют группу так называемых биофильных элементов, или органогенов. Важное функциональное значение для организмов имеют и микроэлементы: кобальт, бор, цинк, молибден, йод, медь. Они составляют сотые и тысячные доли процента от массы организмов.

Мономеры и макромолекулы

Все живое состоит из различных малых органических молекул – мономеров. Объединяясь, мономеры образуют макромолекулы (их еще называют биологическими молекулами), представляющие собой полимерные цепочки. Мономеры складываются в определенную, конкретную молекулярную конструкцию, образуя при этом необходимый конкретный белок. Это значит, что процессы химической самоорганизации макромолекул играли ключевую роль в предбиологической эволюции.

Современная эволюционная химия как наука о самоорганизации и эволюции химических систем предпочтение в проблеме самоорганизации макромолекулярных структур в предбиологический период отдает катализу. Появление автокаталитических, а также повышение уровня информационных связей резко увеличило интенсивность упорядочения перехода материи от простых ко все более сложным, информационно насыщенным органическим соединениям. По мнению А. Руденко, эволюционирующими элементами в развитии предбиологических химических систем являются именно те структуры и соединения, которые резко усиливали действия катализаторов. В этом смысле биокатализ с участием ферментов тесно связан с проблемами биогенеза и происхождения жизни.

По мнению М. Эйгена, образование макромолекул и их эволюция связаны с неравновесным состоянием открытых живых систем. Обмен веществом и информацией с окружающей средой (метаболизм) можно рассматривать как совокупность химических реакций в живой системе (клетке). При этом молекулы-мономеры, переходя из окружающей среды в живую систему (организм), привносят в него определенную информацию. Последняя перерабатывается организмом и закрепляется в нем при процессах полимеризации и деструкции. Полимеризация идет путем самоинструктируемой репродукции образованных макромолекул. Если в живой системе скорость репродукции (воспроизведения) выше, чем скорость деструкции биополимеров, то макромолекулы растут; если нет, то они распадаются. Поступают в систему только те мономеры, которые преодолевают конкуренцию, поэтому они имеют определенную селекционную ценность для макромолекул. Таким образом, идет естественный отбор, то есть предшественниками живых систем, по-видимому, были лишь те макромолекулы, которые обладали определенными необходимыми свойствами. Следовательно, дарвинский естественный отбор уже проявил себя и на добиологической стадии развития материи.

В живых организмах важную роль играют три класса молекул – мономеров: аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды. Они служат строительным материалом для полимерных биологических макромолекул, таких как белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды. Размеры мономеров колеблются в диапазоне 0,5–1,0 нм, а макромолекул – 5-300 нм. Диаметр молекулы аминокислоты порядка 0,5 нм, хромосомы – примерно 1 нм, а атомов углерода и водорода – около 0,4 нм. Для сравнения средний диаметр соматической клетки 10–20 мкм, растительной – 30–50 мкм. Таким образом, атомы примерно в 100 000 раз меньше клетки.

Все живые организмы, их клетки, органеллы как субструктуры клеток, выполняющие специфические функции, являются в целом совокупностями макромолекул. Живые организмы содержат четыре основных класса биополимеров: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. Они являются структурной основой всех живых организмов и играют важнейшую роль в процессах жизнедеятельности.

Белки – это высокомолекулярные органические соединения, макромолекулы которых построены из остатков 20 аминокислот (мономеров). Белки играют первостепенную роль в процессах жизнедеятельности всех живых организмов. Им свойственны разнообразные функции: структурная – построение клеток и тканей; регуляторная – ее выполняют некоторые из гормонов; защитная – выполняют антитела; транспортная – выполняет гемоглобин; энергетическая и т. д. Только в организме человека, например, насчитывается свыше 10 млн различных белков. Без белков невозможен обмен веществ. Биосинтез белков идет при участии нуклеиновых кислот. На долю белка приходится примерно 50 % сухой массы всех органических соединений клетки.

Нуклеиновые кислоты, или полинуклиотиды. Эти биополимеры построены из большого числа остатков нуклиотидов и являются составной частью всех живых систем. Этим макромолекулам принадлежит ведущая роль в биосинтезе белков и передаче наследственных признаков организма. Эти кислоты сходны по своему составу и строению, но значительно различаются по молекулярному весу, который составляет диапазон от нескольких десятков тысяч до 150 млн. Существует 2 типа нуклеиновых кислот – ДНК и РНК. ДНК– дезоксирибонуклеиновая кислота – содержит генетическую информацию о последовательности аминокислот в полипептидных цепях и определяет саму структуру белков. РНК – рибонуклеиновая кислота несет ответственность за создание белков. Порядок расположения составляющих молекулы ДНК и РНК нуклеотидов определяет порядок расположения аминокислот, а также их воспроизведение в первичных структурах белков. Следовательно, через молекулы нуклеиновых кислот передается информация о различных наследственных свойствах структур живых организмов и идет реализация механизма наследственности.

Коацерваты

Возрастающая концентрация «первичного бульона» органических веществ приводила к их взаимодействию, объединению и обособлению в некие мелкие структуры в водном растворе, которые А. Опарин назвал коацерватными каплями или коацерватами. Следует отметить, что в настоящее время структуры, подобные коацерватам, получают искусственным путем, смешивая растворы разных белков. Коацерваты, по А. Опарину, – это мельчайшие коллоидные образования типа капель, обладающие осмотическими свойствами. Благодаря взаимодействию электрических зарядов в слабых растворах происходит агрегация молекул. Молекулы воды создают поверхность раздела вокруг образовавшегося агрегата. Предположительно, что уже одновременно с образованием полимеров (полимеризации) шло и образование биологических мембран, ограничивающих вещества коацервата от среды.

Образование мембран считается трудной задачей химической эволюции. Без них не может быть даже самой примитивной клетки. Предполагается, что мембранные структуры, как и ферменты, возникли в ходе образования коацерватов. Биологические мембраны – это белково-липидные агрегаты, характеризующиеся полупроницаемостью. Они ограничивают вещество коацервата от окружающей среды, придавая прочность коацерватной «упаковки».

Коацерваты имеют сложную организацию и обладают рядом свойств примитивных живых систем. Так, они способны к поглощению из окружающей среды различных веществ, которые вступают во взаимодействие с веществами коацервата. Это похоже на первичную форму усвоения веществ (ассимиляцию). Образующиеся в коацервате продукты распада выделяются наружу, проходя через полупроницаемую перегородку. Однако, в принципе, коацерваты нельзя отнести к живым системам, поскольку они не обладают способностью к саморегуляции и самовоспроизведению. Они обладают лишь предпосылками живых систем.

Образование простейших форм живых организмов

Переход коацерватов как преджизненных систем к живому – это главный вопрос в учении о происхождении жизни. Он связан с действием механизма конвариантной редупликации. В ходе предбиологического отбора выживали те системы, которые имели не только способность к обмену веществ, но и особое строение макромолекул. Это обусловило появление главного качества живого – наследственности. При появлении устойчивого механизма воспроизведения генетической информации эра химической эволюции закончилась. Наступило время биологической эволюции, эра естественного отбора.

С образованием коацерватов как предвестников живой клетки В. Вернадский связывает появление первичного круговорота веществ в природе, обусловленного взаимным обменом органических веществ в процессе их синтеза или распада. При этом уже имел место процесс естественного отбора: более устойчивые образования сохранялись, а неустойчивые – распадались. В процессе отбора устойчивые коацерваты не теряли свою структуру даже при делении. Это характеризует уже самоорганизацию и самовоспроизводство.

Переход систем к самовоспроизведению, то есть к матричному синтезу белков являлся огромным качественным скачком в эволюции материи. Как произошел этот скачок, пока не ясно. Основная сложность в том, что для саморепродукции нуклеиновых кислот необходимы ферментные белки, а для создания белков – нуклеиновые кислоты. Как разорвать этот круг? Как объяснить, что на стадии предбиологического отбора произошло объединение способностей к самовоспроизводству полинуклиотидов с каталитической активностью полипептидов в условиях разобщения в пространстве и времени начальных и конечных продуктов реакции.

Наиболее перспективными в этом отношении являются гипотезы, основывающиеся на принципе самоорганизации и представлениях о гиперциклах.

Гиперциклы – это системы, связывающие самовоспроизводящиеся (автокаталитические) единицы друг с другом посредством циклической связи. В них происходит самоорганизация химических реакций, так что циклическая организация одного уровня является элементом цикла другого, уже более высокого уровня. По мнению немецкого физико-химика М. Эйгана (род. в 1927 г.), гиперциклы определяют репродукцию последующих белков, а также осуществляют роль самовоспроизводящейся системы химических реакций. Гиперцикл, сформировавшийся из нуклеиновых кислот, которые способны с помощью ферментов синтезировать белки, обеспечивает отбор макромолекул с объемом информации, достаточным для возникновения живого организма. Циклические реакции в процессе эволюции повторяются, и каждое повторение ведет к образованию новых, более совершенных систем управления. Такое развитие обеспечивает последующему поколению организмов все большую адаптацию к окружающей среде, увеличивая дальнейшее разнообразие их реакций. При этом происходит усложнение структур, возрастает уровень их организации, что уменьшает энтропию внутренних состояний.

Следовательно, можно предположить, что гиперциклы являются тем мостиком, через который природа организовала переход от молекул неживой природы к биомакромолекулам живой, преодолев барьер между живым и неживым.

Дальнейший предбиологический отбор и развитие коацерватов, вероятно, шли несколькими путями. Один из них – это выработка и накопление специфических белковоподобных полимеров, ускорителей химических реакций. В связи с этим строение нуклеиновых кислот имело «направленность на размножение» систем, когда удвоение нуклеиновых кислот шло при участии ферментов. По-видимому, на этом направлении и произошло образование циклического обмена веществ в живых системах.

Второй путь связан с отбором в системе коацерватов самих нуклеиновых кислот в наиболее удачных сочетаниях последовательности нуклеотидов. На таких направлениях формировались гены. Сформировавшиеся гены делают систему уже самовоспроизводящейся, со сложившейся определенной вполне стабильной последовательностью нуклеотидов в нуклеиновой кислоте. Эти системы уже могут по определению называться живыми. Так, предположительно, сформировалась первичная самовоспроизводящаяся живая система – примитивные первичные организмы.

Конечно, в проблеме возникновения живого еще много неясного. Неразрешенным остаются вопросы, почему белковые полимерные цепи содержат только «левую симметрию», а вот спираль молекулы ДНК закручена вправо; какие причины предбиологической эволюции могли привести к такой закономерности в асимметрии живого.

Асимметричные молекулы, отклоняющие луч света вправо или влево, в химии называются стереоизомерами. Само же свойство зеркальной асимметрии носит название хиральности или киральности (от греч. cheir – рука).

Известно, что в неживой природе хиралъные (киралъные) молекулы равновесно встречаются как в левом, так и в правом варианте. В живой природе – только в левом или только в правом. В этом смысле молекулы неживой природы симметричны и хирально нечисты, в то время как молекулы живых организмов хирально чисты. Например, молекула воды зеркально симметрична, а вот молекулы глюкозы, фруктозы, аминокислоты зеркально асимметричны. Это явление представляет собой один из признаков отличия живого от неживого. Так, попадая в организм растения, вода и углекислый газ, то есть хирально нечистые молекулы, в результате фотосинтеза «переконструируются» в хираль-но чистые молекулы органических веществ (белки, сахара и т. д.).

Таким образом, отличие «живых» молекулярных конструкций от «неживых» состоит не только в том, что первые построены из органических веществ молекул, но еще и в том, что биомолекулы вмонтированы в эту конструкцию оригинальным образом с учетом только либо левой, либо правой формы.

Сейчас с помощью экспериментов доказано, что такое разделение имеет место при нелинейной динамике протекания химических автокаталитических реакций. Это значит, что переход от симметричных молекул неживого к асимметричным биомолекулам живой природы вполне реально мог происходить при определенных условиях на стадии предбиологической эволюции материи. Таким образом, одним из необходимых условий перехода от неживого к живому является спонтанное, возможно скачкообразное, нарушение зеркальной симметрии как результат реакций автокаталитического типа. Образование жизни – это процесс самоорганизации, когда из хаотического состояния левых и правых неорганических и органических молекул соединений (энантиомеров) стали образовываться упорядоченные, хирально чистые органические только левые или только правые молекулы.

По-видимому, именно естественный отбор в процессе химической (предбиологической) эволюции привел к хиральной чистоте нуклеиновых кислот и белков, их несовместимости со своими зеркальными отображениями. По подсчетам ученых, для этого потребовалось около 1 млн лет.

Некоторые современные исследователи генетической программы строения белков живого организма с позиций хиральности рассматривают уникальную последовательность звеньев в определенных биополимерных цепях. Такое свойство живой материи они называют гомо-хиральностью. Согласно этим выводам, основные биологические макромолекулы представляют собой гомохиральные полимеры. Однако механизм образования гомохиральности пока остается загадкой.

Клетка как элементарная единица живого

Все живое состоит из клеток как отдельных единиц и размножается из клеток. Поэтому клетку можно считать мельчайшей единицей всего живого. Клетка характеризуется всеми признаками живого. Каждая отдельная клетка является микроносителем жизни, так как в ней заключена генетическая информация, достаточная для воспроизведения всего организма. Жизнь каждой отдельной клетки организма подчинена деятельности организма в целом. Клетке свойственны все признаки живого: раздражимость, обмен веществ, самоорганизация и саморегуляция, передача наследственных признаков. Это сложная самоорганизующаяся биохимическая «лаборатория», состоящая из большого количества четко и согласованно функционирующих органоидов. Отдельные клетки способны самостоятельно существовать только в случае, если они представляют собой одноклеточный организм. Клетки же многоклеточного организма неспособны к самостоятельному существованию в открытой среде. Основной составляющей клетки являются биополимеры, призванные осуществлять важнейшие функции в общей системе согласованных автокаталитических циклов, которые составляют основу жизни биологических систем.

Важнейшей функцией клетки является ее размножение путем деления. С ростом клетки постепенно замедляются процессы жизнедеятельности вследствие ухудшения условий питания отдельных ее элементов. Рост клетки сопровождается также построением копий ее составляющих элементов. В связи с этим способности управления внутренними процессами клетки снижаются, растет энтропия, что способствует переходу в неустойчивое состояние. Далее идет деление клетки на две дочерние как выход из неустойчивого, неравновесного состояния. При делении клетки лишняя энтропия сбрасывается наружу, а образовавшиеся две новые клетки обретают устойчивость до момента следующего деления. На протяжении всей жизни в любом организме идет непрерывная замена старых клеток на образующиеся новые. Средний срок жизнедеятельности клеток человека – один-два дня. Каждый день в организме человека погибает около 70 млрд клеток кишечного эпителия и 2 млрд эритроцитов, которые заменяются на новые. Полная замена клеток крови человека происходит в течение четырех месяцев. Нейроны – нервные клетки – не восстанавливаются, но в течение всей жизни человека непрерывно перестраиваются.

Количество клеток у различных живых систем различно. Так, у примитивных беспозвоночных оно достигает 10²-10⁴, у высокоорганизованных организмов – 10¹⁵-10¹⁷. Масса клетки составляет 10^-8-10^-9 г. Средний размер соматической клетки живого организма достигает в диаметре 10–20 мкм, а растительной – 30–50 мкм.