Теории происхождения жизни на Земле
Вопрос о том, откуда на нашей планете взялась жизнь, волновал человечество с древнейших времен, но первую стройную теорию происхождения жизни на Земле предложил в 1923 году советский биолог Александр Опарин. Она получила название теории биохимической эволюции или теории абиогенного синтеза. С 1929 года идеи Опарина получили дальнейшее развитие в трудах английского генетика и биохимика Джона Холдейна. Поэтому теория Опарина в ряде источников называется теорией Опарина-Холдейна.
Суть теории (гипотезы) Опарина заключалась в зарождении живой материи в недрах неживой.
Опарин выделял три этапа перехода от неживой материи к живой.
Первый этап — химическая эволюция. Примерно 4 миллиарда лет назад на безжизненной планете Земля происходил абиотический (без участия живых организмов) синтез углеродистых соединений. Для того периода эволюции Земли были характерны многочисленные вулканические извержения с выбросом огромного количества раскаленной лавы. Солнечный свет беспрепятственно доходил до Земли, поскольку озонового слоя тогда не было. В водах первичного океана были растворены различные неорганические соли. Под действием ультрафиолетового излучения, высокой температуры окружающей среды, электрических разрядов молний и активной вулканической деятельности в атмосфере непрерывно образовывались различные органические соединения, которые затем попадали в океан. Концентрация органических соединений в воде постоянно увеличивалась, и в конечном итоге воды океана стали «насыщенным бульоном» из белковоподобных веществ — пептидов.
Второй этап — появление белковых веществ. В определенный момент под действием вышеперечисленных факторов началось образование из пептидов сложных органических соединений — биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов). Итогом эволюции сложных органических веществ стало появление коацерватов, или коацерватных капель — коллоидных сгустков, способных поглощать различные вещества из окружающей среды, вступать во взаимодействие друг с другом, увеличиваться в размерах и «размножаться», распадаясь на несколько частей.
Опарин рассматривал коацерваты как предбиологические системы, представляющие собой группы молекул, окруженные водной оболочкой. Отнести их к биологическим системам было нельзя, поскольку они не обладали способностью к самовоспроизводству и саморегулированию.
Третий этап — формирование способности к самовоспроизводству, появление живой клетки. Вокруг коацерватов возникли слои липидов, отделившие их от окружающей водной среды, которые процессе эволюции трансформировались в наружную мембрану. В коацерватах образовались взаимосвязи нуклеиновых кислот и белков. Синтез белков определенного состава стал осуществляться на основе информации, заключенной в нуклеиновых кислотах. При участии специфических белков — ферментов, нуклеиновые кислоты получили способность к самовоспроизведению. Возникли протобионты — первичные формы жизни, еще не имеющие клеточной организации, но способные к самовоспроизведению и обмену веществ. Дальнейшая эволюция завершилась образованием первичной клетки — археклетки.
Возможность абиогенного синтеза биополимеров была экспериментально доказана в 1953 году американскими учеными Стэнли Миллером и Гарольдом Юри. Аппарат, спроектированный для проведения эксперимента, состоял из двух стеклянных колб, соединенных в замкнутую цепь. В одну из колб было помещено устройство, имитирующее грозовые эффекты — два электрода, между которыми регулярно происходил электрический разряд при напряжении около 60 тысяч вольт, а в другой колбе постоянно кипела вода. Аппарат был заполнен смесью газов, соответствовавшей тогдашним представлениям о составе атмосферы ранней Земли (смесь состояла из метана (CH4), аммиака (NH3), водорода (H2) и монооксида углерода (CO). Аппарат проработал неделю, в результате эксперимента были синтезированы уксусная и муравьиная кислоты, мочевина и несколько аминокислот.
В том, что теория Опарина была подтверждена экспериментальным путем — ее сильное место. А вот невозможности объяснения самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам заключается ее слабое место. Все логично в теории Опарина, но как именно неживое стало живым? Синтезировать клетку из коацерватов пока еще не удалось никому из ученых.
Теория Опарина принята по сей день, поскольку ничего лучшего пока еще никто не предложил. Но она часто подвергается критике. Основные доводы критиков таковы:
Современные геологи склоняются к мнению, что древняя атмосфера нашей планеты состояла из углекислого газа, водяных паров, азота и небольшого количества водорода. Если такую смесь поместить в аппарат Миллера, то никакие аминокислоты, кроме глицина, там не образовывались. Сложные аминокислоты могут образовываться в ходе опыта только в присутствии метана.
Если в первобытной атмосфере образовывались органические вещества, то они должны были быстро (еще до попадания в океан) разрушаться под воздействием интенсивного ультрафиолетового излучения Солнца.
Среда, предположительно существовавшая в первобытном океане, была несовместима с развитием жизни, поскольку представляла собой смесь множества химических веществ, среди которых непременно должны были присутствовать в больших количествах различные ингибиторы, вещества, тормозящие химические реакции и дезактивирующие ферменты. В присутствии ингибиторов биополимеры не могли быть синтезированы.
Нет ответа на вопрос о том, как и на основе чего был образован первый генетический код. Молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), обеспечивающие хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов, образуются на базе родительской матрицы. Откуда взялась первая матрица?
Существует так называемая «гипотеза панспермии», выдвинутая немецким ученым Германом Эбергардом Рихтером в 1867 году. Согласно этой гипотезе жизнь на Земле появилась в результате занесения из космического пространства «зародышей жизни» — спор микроорганизмов и т.п. Переносчиком «зародышей жизни» Рихтер считал метеориты и давление светового излучения.
Главным недостатком гипотезы панспермии является то, что она никак не объясняет возникновение жизни вообще, а всего лишь предлагает конкретный способ появления жизни на нашей планете.