Часть I. Универсальные структуры и физиологические процессы

Как, когда и где возникла жизнь? Это один из самых старых и фундаментальных вопросов, волнующих человека на протяжении всей истории развития общества.

«…Земля была безвидна и пуста, и была тьма, и Дух Божий носился над водой…» — Ветхий завет и шумерский эпос, древнеиндийские веды и скандинавские саги — всюду мы находим попытки понять, откуда мы взялись, зачем пришли в этот Мир и насколько наши представления о нем соответствуют его реальному устройству.

Теория Опарина–Холдейна. Основы современных научных представлений о возникновении жизни заложены в 20-х гг. ХХ в. российским биохимиком А.И. Опариным (1924) и английским ученым Дж. Холдейном. Их концепция базировалась на двух предположениях:

• первое — органические молекулы могли синтезироваться из первичной атмосферы Земли абиогенным путем, то есть без участия живых организмов, в ходе реакций, питаемых энергией Солнца и разрядами молний, в особых условиях, которых давно не существует;
• второе — в водах первичного океана с растворенными в них простыми органическими соединениями в течение миллионов лет, составляющих предбиологический период жизни Земли, образовывались многомолекулярные системы, обособленные от окружающей среды и способные к предбиологическому развитию до простейших живых систем (гипотеза о самоорганизации материи при переходе к живой форме).

В 1977 г. Международное общество по происхождению жизни учредило золотую медаль имени А.И. Опарина за достижения в этой области.

Американские ученые С. Миллер и Г. Юри доказали в начале 50-х гг. ХХ в., что некоторые малые органические молекулы — аминокислоты, простейшие сахара, пептиды, нуклеотиды, кислоты, мочевина и другие — образуются при продолжительном воздействии ультрафиолетового излучения и электрических разрядов, подобных молнии, на смесь газов, состоящую из неорганических простых соединений и молекул — метана, аммиака, воды и др. (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Опыт Стенли Миллера, имитирующий образование простых органических веществ в первозданных условиях на Земле (абиогенный синтез)

Именно эти элементы, как полагают, образовывали первичную атмосферу Земли приблизительно 4 млрд лет назад. Полагают, что решающим фактором эволюции простых органических молекул на предбиологическом этапе было отсутствие молекулярного кислорода в атмосфере Земли. Это обстоятельство «спасло» «новорожденные» органические молекулы от неизбежного окисления и позволило им развиваться в более сложные формы.

Гипотеза абиогенных синтезов. Годы, прошедшие после этих классических экспериментов, называют эпохой абиогенных синтезов. В лабораториях удалось получить большинство соединений, из которых строятся важнейшие биологические молекулы — рибонуклеиновая кислота (РНК), дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), ферменты и др. В этот же период астрономы и астрофизики обнаружили в космосе простые органические соединения.

Появилась гипотеза о зарождении жизни в межзвездной среде и занесении жизни на Землю в составе метеоритного и кометного вещества (теория панспермии).

Существуют также предположения, что жизнь возникла на огромных глубинах, в кромешной тьме, а первые живые протоорганизмы были в буквальном смысле «экстремалами». Подобные им существа до сих пор обитают в раскаленных извержениях земных недр на дне океанов — так называемых курильщиках, в кратерах вулканов на поверхности Земли, горячих серных источниках, исключительно соленых водах и др.

Гипотеза фазовых переходов вследствие нарушения зеркальной симметрии в живой природе. Согласно теории эволюции процесс биопоэза шел постепенно в течение миллиардов лет. Альтернативные теории рассматривают возникновение жизни как своеобразный скачок — фазовый переход «неживое — живое» вследствие спонтанного нарушения зеркальной симметрии в неживой природе (Ф. Дайсон).

Сущность фазового перехода — разделение рацемической, то есть однородной, смеси предбиологических органических веществ, на оптические лево- (L) и правовращающие (D) изомеры.

Свойство зеркальной асимметрии, то есть нетождественности предмета и его зеркального изображения, получило название киральности (от греч.«рука»).

В биоорганическом мире все природные аминокислоты — это левые (L), а все природные сахара — правые (D) зеркальные изомеры (заметим, что аминокислоты — основа белков, а сахара входят в состав ДНК и РНК).

Оптимальные размеры структур (молекулярных агрегатов), из которых строились «островки» оптических изомеров, оказались близки к характерным для молекул биополимеров (10^–7–10^–6 см), а оптимальная энергия соответствовала величине водородной связи (не более 20 кал/моль) — связи, которая определяет структуру белков и нуклеиновых кислот!

Исследования американских, голландских и российских химиков по моделированию «предков» ДНК (полинуклеотидов) показали, что наиважнейшее свойство живого — самовоспроизведение, которое могло возникнуть и устойчиво поддерживаться только в кирально «чистом» «первородном бульоне».