А.И.Опарин. Современные данные о происхождении жизни

Первичное образование органических веществ

Основу материального субстрата всех без исключения живых существ составляют органические вещества. Без них нет жизни на нашей планете, так как только закономерное взаимодействие этих веществ может определять собой структуру протоплазмы и характернейшую для жизни ее организацию во времени – биологический обмен веществ. Поэтому понятно, что изучение эволюции материи на пути к возникновению жизни нужно начинать с решения вопроса о том, как первично в неорганическом мире образовались хотя бы наиболее примитивные представители класса органических веществ. Такими представителями справедливо считаются углеводороды – соединения углерода и водорода. Недаром поэтому всю органическую химию в настоящее время принято рассматривать как химию углеводородов и их производных.

Это определение правильно отражает качественную специфику органической химии, указывая на родственные связи любого органического соединения с углеводородами и позволяет рассматривать их как вещества, исходные для всей органической эволюции в целом. К этому нас побуждает и то особое положение, которое занимают углеводороды во Вселенной.

* * *

Современные данные с несомненностью показывают, что как в прошлом, так и сейчас наша планета постоянно получала и получает разнообразные абиогеннообразованные органические вещества с поступающими на земную поверхность из космоса метеоритами и кометным материалом, так сказать «подкармливается» этими органическими веществами. Однако непосредственные подсчеты показывают, что количество получаемых таким образом органических веществ сравнительно невелико в их общем балансе земной поверхности. Таким образом, основная масса органических веществ сравнительно невелика в их общем балансе земной поверхности. Таким образом, основная масса органических веществ, послуживших материалом для возникновения жизни на Земле, не была непосредственно доставлена нам из космоса, а образовалась уже на поверхности самой нашей планеты из углеродистых соединений, выделившихся в примитивную атмосферу при формировании земной коры.

* * *

Предшествовавшая появлению жизни эволюция абиогенно возникших органических веществ происходила на поверхности Земли еще в условиях, глубоко отличных от современных. В основном эти отличия сводились к следующему:

1. Отсутствие свободного кислорода в доактуалистической атмосфере исключало возможность прямого, глубокого окисления углеводородов, как это имеет место сейчас при их сгорании на воздухе.

2. Вследствие отсутствия свободного кислорода в доактуалистической атмосфере не мог образовываться так называемый «озоновый экран», слой газа озона (О₃), который непроницаем для коротких ультрафиолетовых лучей. Сейчас в связи с наличием такого экрана в современной атмосфере эти лучи не достигают поверхности нашей планеты. Напротив, доактуалистическая атмосфера целиком пронизывалась интенсивной коротковолновой ультрафиолетовой радиацией. Это создавало гораздо большие возможности для разнообразных фотохимических процессов, чем те, которые имеют место сейчас при наличии одной только более длинноволновой радиации.

3. Очень важным является также то обстоятельство, что на первичной Земле отсутствовали живые организмы с их очень совершенным обменом веществ, быстро вовлекающим в орбиту своего действия разнообразные органические соединения.

Сейчас мы нигде на земной поверхности в природной обстановке не имеем таких условий. Находящийся в современной атмосфере на высоте 30км озоновый экран преграждает доступ коротковолновой ультрафиолетовой радиации на земную поверхность. Современная атмосфера, верхняя часть почвы и вся гидросфера до самых больших глубин богата свободным кислородом и густо заселена микробами, которые, поглощая, поедая органические вещества внешней среды, исключают всякую возможность их длительной эволюции, на что указывал еще Ч.Дарвин в одном из своих писем.

Таким образом, хотя это и может с первого взгляда показаться парадоксальным, нужно признать, что основной причиной невозможности первичного возникновения жизни сейчас в природных условиях является то, что она уже возникла и благодаря этому на земной поверхности произошло резкое изменение условий, исключающее возможность сколько-нибудь длительной эволюции органических веществ теми путями, какими эта эволюция совершалась в доактуалистическую эпоху существования Земли.

* * *

В условиях доактуалистической земной поверхности углеводороды могли непосредственно взаимодействовать как между собой, так и с парами воды, аммиаком, сероводородом и другими газами восстановительной атмосферы Земли. При этом скорость такого рода реакций в значительной степени зависела от температуры и в особенности от действия тех или иных неорганических катализаторов.

Очень важную роль в органохимических реакциях того времени должны были играть и внешние источники энергии: в первую очередь коротковолновой ультрафиолетовый свет, затем радиоактивные излучения и, наконец, искровые и тихие разряды в атмосфере.

Использование этих источников энергии в лабораторных условиях, имитирующих условия первичной земной поверхности, позволило в многочисленных экспериментах синтезировать очень большое число биологически важных веществ, причем исходными для этих синтезов являлись такие примитивные соединения, как метан, аммиак и пары воды, а также некоторые легко возникающие из них ближайшие производные, как, например, циан, формальдегид, ацетальдегид и др.

В основном большинство работ такого рода посвящено синтезу аминокислот и нуклеотидов, т.е. тех молекулярных кирпичей, из которых при их полимеризации синтезируются белки и нуклеиновые кислоты.

Недавно лабораторные опыты ряда авторов весьма убедительно показали, что в условиях, царивших на поверхности доактуалистической Земли, аминокислоты и мононуклеотиды должны были полимеризоваться – соединяться между собой в длинные молекулярные цепочки, что приводило к образованию высокомолекулярных веществ типа белков и нуклеиновых кислот, этих важнейших компонентов протоплазмы. Однако выделенные из протоплазмы современных организмов белки и нуклеиновые кислоты обладают определенной закономерной молекулярной структурой – строго определенным расположением аминокислот или мононуклеотидов в их полимерной цепочке – и определенным закручиванием этой цепочки, ее пространственным расположением. В противоположность этому структура абиогенно возникавших аминокислотных или нуклеотидных полимеров должна была носить случайный характер, что можно обнаружить и в лабораторных опытах.

Таким образом, в настоящее время мы располагаем весьма убедительными наблюдениями и многочисленными экспериментальными данными, позволяющими считать, что в определенный период доактуалистической эпохи существования нашей планеты водоемы земной гидросферы содержали в себе наряду с водным раствором неорганических солей разнообразные органические вещества – простые и сложные мономеры и полимеры, а также богатые энергией соединения, способные вступать в многочисленные взаимодействия между собой.

Этот своеобразный «первичный бульон» все время изменялся, эволюционировал как в целом, так и в отдельных своих частях, например в более или менее изолированных водоемах, где его концентрация могла возрастать при местном локальном испарении воды. Наряду с этими количественными изменениями эволюционировал и его качественный состав в связи с постоянно происходившими в нем химическими превращениями.

Возникновение исходных для формирования первичных живых существ

многомолекулярных систем

Характерным для жизни является то, что она не просто рассеяна в пространстве, а представлена отграниченными от внешнего мира индивидуальными, очень сложными системами – организмами. Их возникновение могло произойти только на основе длительной эволюции, длительного усовершенствования каких-то гораздо более простых исходных систем, пространственно обособившихся, выделившихся из первоначального однородного раствора – «первичного бульона».

При работе с водными растворами высокополимерных органических веществ в обычных природных условиях температуры, давления, кислотности и т.д. часто можно наблюдать явление, при котором молекулы различных полимерных соединений объединяются между собой в целые молекулярные рои или кучи и таким путем выделяются из раствора в форме видимых под микроскопом образований, получивших название коацерватных капель.

Несмотря на свою жидкую консистенцию коацерватные капли обладают определенным внутренним строением. Под обычным оптическим микроскопом довольно трудно обнаружить их структуру, но она легко выявляется при их фотографировании под электронным микроскопом в газовой микрокамере (без предварительного высушивания).

Между каплей и окружающей ее средой всегда существует резкая граница раздела. Тем не менее капли не изолированы от этой среды, а обладают способностью с нею взаимодействовать, что очень важно для их дальнейшей эволюции. Прежде всего это взаимодействие выражается в способности капель избирательно поглощать из внешней среды вещества, которые могут концентрироваться в каплях в размерах, во многие десятки раз превышающих их первоначальную концентрацию в исходном растворе.

* * *

Таким образом, мы располагаем сейчас коацерватными каплями, длительная устойчивость которых определяется не их неизменностью, статичностью, а, напротив, способностью постоянно взаимодействовать с внешней средой по типу открытых систем. В данных условиях среды они могут не только длительно сохраняться, но и увеличиваться в своем объеме и весе – расти путем ускоренно происходящей в них полимеризации сахаров, аминокислот или мононуклеотидов внешней среды.

Такого рода капли уже могут до известной степени служить легко воспроизводимыми в лабораторных условиях моделями тех комплексных многомолекулярных систем, которые должны были выделяться из водного раствора «первичного бульона».

Подобно нашим искусственным моделям эти возникшие естественным путем образования – динамически устойчивые коацерватные капли – могли не только длительно существовать в условиях «первичного бульона», но и расти здесь за счет тех веществ, наличие или даже изобилие которых мы вправе ожидать в окружающей их среде земной гидросферы.

Однако даже и такого рода образования по своей внутренней организации еще были очень далеки от организации живых тел. В искусственно полученном нами динамически устойчивом коацервате, а также и в той капле, которая возникла естественным путем в водах первородного океана, отсутствовала та «целесообразность» строения, та приспособленность внутренней организации к осуществлению определенных жизненных явлений в условиях окружающей внешней среды, которая так характерна для протоплазмы всех без исключения живых существ. Эта приспособленность могла возникнуть только в результате дальнейшего развития материи, дальнейшей эволюции коацерватных капель.

Опарин А.И. Современные данные о происхождении жизни. – М., 1966. –С.12-30.