Возникновение жизни. Основные этапы биогенеза

В настоящее время большинство биологов придерживаются теории происхождения биологических молекул абиогенным путем. Эта теория была разработана независимо друг от друга русским биохимиком Александр Иванович Опарином (1924) и английским естествоиспытателем Джоном Холдейном (1929). Согласно этой теории, в условиях, имевших место на планете несколько миллиардов лет назад, было возможно образование живого вещества из неживого. К таким условиям относят:

1. наличие атмосферы восстановительного типа;

2. воды;

3. источников энергии (в виде ульт­рафиолетового и космического излучения, теплоты остываю­щей земной коры, вулканической деятельности, атмосферных элек­трических явлений, радиоактивного распада);

4. приемлемой темпе­ратуры;

5. отсутствие других живых существ.

В 1953г. американский ученый Стенли Ллойд Миллер в условиях, иммитировавших атмосферу древней Земли, получил аминокислоты, жирные кислоты, мочевину, уксусную, муравьиную кислоты.
Главные этапы на пути возникновения и развития жизни заключаются в следующем:

1. образовании атмосферы из газов, кото­рые могли бы служить «сырьем» для синтеза органических веществ (метана, оксида и диоксида углерода, аммиака, сероводорода, циа­нистых соединений), и паров воды;

2. абиогенном образовании простых органических веществ (ами­нокислот, сахаров, азотистых оснований, АТФ и других мононуклеотидов);

3. полимеризации мономеров в биологические полимеры (белки, нуклеиновые кислоты и др.);

4. образовании предбиологических форм жизни (протобионтов), имеющих некоторые свой­ства живого;

5. возникновении простейших живых форм (примитив­ных клеток), имеющих всю совокупность главных свойств жизни;

6. биологической эволюции возникших живых существ.

Возможность абиогенного образования органических веществв условиях, бывших на Земле около 4 млрд. лет назад, доказана опытами химиков. Кроме того, органические соединения обнаружены в космическом пространстве. В лабораторных условиях при пропускании электрических разрядов через различные газовые смеси, напоминающие примитивную ат­мосферу планеты, ученые получали аминокислоты (аланин, глицин, аспарагиновую кислоту), янтарную, уксусную, молочную кислоты, мочевину, азотистые основания (аденин, гуа­нин), АДФ и АТФ. Низкомолекулярные органические соединения накапливались в водах первичного океана в виде первичного бульона или же адсорбировались на поверхности глинистых отложений. По мере повышения концентрации полипептидов, полинукле­отидов и других органических соединений в первичном бульоне сложились условия для следующего этапа – самопроизвольного возникновения предбиологических форм сложного химического состава, или протобионтов. Предположительно они могли быть представлены коацерватами (А. И. Опарин) или микросферами (С. Фоке). Это коллоидные капли с уплотненным поверхностным слоем, имитирующим мембрану, содержимое которых составляли один или несколько видов биополимеров. Возможность образова­ния в коллоидных растворах структур типа коацерватов или мик­росфер также доказана опытным путем. При определенных условиях протобионты проявляют некоторые общие свойства живых форм. Они способны в определенной степени избирательно поглощать и выделять вещества. Происходит процесс, напоминающий обмен веществ. Накапливая вещества, коацерваты увеличивают свой объем (рост). По достиже­нии определенных размеров они распадаются на части, сохраняя при этом некоторые черты исходной химической организации (размножение). Поскольку устойчивость коацерватов различного химического состава различна, среди них происходит отбор. Протобионты представляются как обособленные от окружа­ющей среды, открытые макромолекулярные системы, возникавшие в первичном бульоне и способные к примитивным формам роста, размножения, обмена веществ и предбиологическому химическому отбору.

Предбиологическая эволюция протобионтов осуществлялась в трех главных направлениях.

1. совершенство­вание каталитической функции белков. Так, включение железа в порфириновое кольцо гемоглобина уве­личивает его каталитическую активность в сравнении с активностью самого железа в растворе в 1000 раз.

2. приобретение протобионтами способности к самовоспроизведению. Это сделало возможным передачу информации от поколения к поколению. В основе этой способности лежит матричный синтез. Механизм матричного синтеза был использован также для переноса информации с полинуклеотидов на полипептиды.

3. возникновение мембран. Вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, отделивших коацерват от окружающей водной среды. Липиды преобразовались в ходе эволюции в наружную мембрану, существенно повысившую жизнеспособность и устойчивость организмов. Отграничение от окружающей среды мем­браной с избирательной проницаемостью превращает протобионт в устойчивый набор макромолекул.

Все это привело к возник­новению живых организмов, которые поначалу были представлены примитивными безъядерными клетками (прокариотами). С момента появления клеток предбиологический химический отбор уступил место биологическому отбору. Дальнейшее развитие жизни шло согласно законам биологической эволюции.