Абиогенетические концепции происхождения жизни: введение
В 20-30-х годах XX в. наука вновь вернулась к идее самозарождения с учетом той критики, которой были подвергнуты концепции абиогенеза в XIX в. Самопроизвольное зарождение жизни невозможно в современных условиях, но оно могло осуществиться в давно прошедшее время, когда условия на Земле были иными. В начале XX в. господствовало убеждение, что лежащие в основе жизни органические вещества (белки, жиры, углеводы) в природных условиях могут возникать только биогенно, т.е. путем синтеза их самими организмами. В двадцатые годы А.И. Опарин и Дж. Холдейн экспериментально показали, что в растворах высокомолекулярных органических соединений могут возникать зоны повышенной их концентрации - коацерватные капли - которые в некотором смысле ведут себя подобно живым объектам: самопроизвольно растут, делятся и обмениваются веществом с окружающей их жидкостью через уплотненную поверхность раздела.
Советский биохимик А.И. Опарин (1894-1980) высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в атмосфере Земли, которая 4-4,5 млрд. лет назад состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. Предсказание А.И. Опарина получило широкое признание и было подтверждено экспериментами. Особую известность получили опыты Г. Юри и С. Миллера (1955), проведенные в Чикагском университете. Пропуская электрические разряды напряжением до 60 000 В через смесь углекислого газа, метана, аммиака, водорода и паров воды под давлением в несколько паскалей при температуре +80* С, они получили простейшие жирные кислоты, мочевину, уксусную и муравьиную кислоты и несколько аминокислот, в том числе глицин и аланин. Схема прибора Миллера приведена на рис. 49 Как известно, аминокислоты - это те "кирпичики", из которых построены молекулы белков. Через некоторое время С. Фоксу удалось соединить последние в короткие нерегулярные цепи - безматричный синтез полипептидов; подобные полипептидные цепи были потом реально найдены, среди прочей простой органики, в метеоритном веществе. Экспериментальное доказательство возможности образования аминокислот из неорганических соединений дало основание предположить, что первым шагом на пути возникновения жизни на Земле был абиогенный синтез органических веществ ( рис. 39 ).
В настоящее время в разных лабораториях осуществлен абиогенный синтез многих биологически важных мономеров. Большая информация получена относительно абиогенного синтеза аминокислот ( табл. 14 ). Перечисленные в таблице аминокислоты образуются в простых по составу газовых или водных смесях в результате воздействия на них разными источниками энергии. При некотором усложнении реакционной смеси введением в нее С2-, С3-углеводородов, уксусного альдегида, гидроксиламина, гидразина и других соединений, образование которых легко происходит в условиях первобытной Земли, синтезируется значительно большее число аминокислот, в том числе и таких, которые не были обнаружены в качестве продуктов реакции в газообразных и водных смесях простого состава. Экспериментально доказано, что почти все аминокислоты, входящие в состав природных белков, можно получить в лаборатории при имитации условий первобытной Земли.
Важный шаг на пути химической эволюции - синтез нуклеозидов и нуклеотидов, и в первую очередь адениновых. Американскому биохимику К.Поннамперума (К.Ponnamperuma) удалось показать, что при УФ-облучении смеси водных растворов аденина и рибозы при температуре 40 гоадусов по С в присутствии фосфорной кислоты происходит реакция конденсации, приводящая к образованию аденозина. Если реакцию проводить при добавлении к реакционной смеси этилметафосфата, имеет место образование также и нуклеотидов: АМФ , АДФ , АТФ . Функция фосфорных соединений в этих химических синтезах двоякая: они играют каталитическую роль и могут непосредственно включаться в продукты реакции. Абиогенный синтез АТФ, представляющий собой результат нескольких относительно простых химических реакций, говорит о возможном раннем появлении этого соединения. Первые живые структуры могли получать АТФ из окружающей среды.
Следующий этап предбиологической эволюции - дальнейшее усложнение органических соединений, связанное с полимеризацией мономеров. Все живые клетки состоят из четырех основных типов макромолекул: белков, нуклеиновых кислот, липидов и полисахаридов. Из них белки и нуклеиновые кислоты являются самыми сложными веществами клетки.
С.Фокс (S.Fox) осуществил абиогенный синтез полипептидов, состоящих из 18 природных аминокислот, с молекулярной массой от 3000 до 10000 Да. Особенностью первичной структуры этих полимеров была обнаруженная у них определенная последовательность аминокислотных остатков в цепи, обусловленная, вероятно, структурными особенностями самих аминокислот. Полученные полимеры обладали многими свойствами, сближающими их с природными белками: служили источником питания для микроорганизмов, гидролизовались протеиназами, при кислотном гидролизе давали смесь аминокислот, обладали каталитической активностью и способностью к образованию микросистем, отграниченных от окружающей среды мембраноподобными поверхностными слоями. Из-за большого сходства с природными белками полипептиды, синтезированные С.Фоксом, были названы протеиноидами (белковоподобными веществами) .
Принципиальная возможность образования полинуклеотидов без участия ферментов была показана Г.Шраммом (G.Schramm). Образующиеся полимеры содержали от 60 до 200 нуклеотидов в цепи и имели молекулярную массу 15000-50000 Да. Так были получены полиадениловая, полиуридиловая, полицитидиловая кислоты и их сополимеры.
Таким образом, экспериментально показано, что в условия первобытной Земли был возможен химический синтез биологически важных соединений (мономеров и полимеров), послуживших исходным материалом для построения всех организмов.
Этим, собственно говоря, и исчерпываются реальные успехи, достигнутые в рамках концепции абиогенеза - если не считать того, что было ясно осознано по крайней мере одно фундаментальное ограничение на возможность синтеза "живых" (т.е. биологически активных) макромолекул из более простых органических "кирпичиков". См. Оптическая изомерия органических молекул и проблема происхождения жизни
