Основные этапы биохимической эволюции: теория и постулаты

Биохимическая эволюция — что это за теория

Естествоведы утверждают: появление планеты Земля произошло 4,5-7 млрд лет назад. Это было облако пылевых частиц, которые имели очень высокую температуру. Местами она достигала 4-8 тыс. градусов по Цельсию. Когда начались процессы ее постепенного охлаждения, стало происходить перераспределение слоев, составляющих облако элементов. Результатом такого внутреннего движения стало расположение элементов с большой массой ближе к центру Земли, а с более легкой — кнаружи.

Жизнь в данной теории рассматривается как результат на первом этапе химической, а в последующем — биологической эволюции.

Впервые органические вещества образовались из простых химических элементов (водород, углерод, азот, кислород). Они, взаимодействуя друг с другом, образовывали такие вещества, как аммиак, метан, углеродные оксиды, сероводород. При этом постоянно образовывались водяные пары. Важно, что практически весь кислород связался с прочими элементами и в свободном виде не встречался. За счет тех же его молекул, которые вошли в состав простых органических веществ, синтезировались спирты, аминокислоты, альдегиды. Более сложные органические соединения присутствовали в воде первичных водоемов.

Земля постепенно снизила свою температуру, в ней образовалась кора, а вокруг сформировалась атмосфера. Когда ее температура опустилась до 100°C, запустился синтез органических соединений с простыми формулами (жирные кислоты, нуклеотиды, многоатомные спирты, аминокислоты, простые сахара и др.). Источником энергии при этом выступали грозовые разряды, излучения космических тел, ультрафиолетовые лучи из солнечного света. В то же время атмосфера еще не была «защитным экраном» — слоем, препятствующим интенсивному облучению земной поверхности ультрафиолетовыми лучами Солнца.

Такая абиогенная теория (утверждающая происхождение жизни из неорганики) была выдвинута ученым из России А.И. Опариным и англичанином Дж.Холдейном. Произошло это в 1924 и 1929 годах соответственно. Авторы выдвинули свои гипотезы, опираясь на утверждения Дарвина, что необходимым условием зарождения жизни является ее отсутствие. Кроме того, подтверждалось второе необходимое, по мнению Дарвина, требование — связанное состояние кислорода.

Плюсы и минусы биохимической теории

Теория Опарина-Холдейна имеет важное свойство: она последовательна и логична. В ней отсутствуют непонятные пропуски. Кроме последовательности, к числу ее плюсов следует отнести:

1. Общепринятость среди ученых научного мира.
2. Проверяемость (в лабораторных условиях элементарно можно воспроизвести каждый из представленных в теории этапов и, как доказательство, получить тот же результат).

В то же время есть и минусы:

• неконкретно расписано образование коацерватов;
• не дано объяснение, почему клетки приступили к самовоспроизведению;
• непонятно, каким образом аминокислоты стали полноценными белками.

Этапы биохимической эволюции Опарина-Холдейна

Ступень развития планеты, которым правила биохимия, состоял из следующих важных этапов:

• синтез органических веществ с простыми формулами;
• образование из мономеров полимеров — полипептидов и полинуклеотидов;
• синтез коацерватов в результате накопления соединений высокомолекулярной природы;
• заключение молекул коацерватов в элементарные мембраны;
• развитие обмена веществ.

Теория А.И. Опарина содержала следующее заключение. Матричный синтез ведет к воспроизведению себе подобных клеток. На основе него появлялись молекулы белка и образовывали коллоидные структуры. Те, в свою очередь, превращались в коацерватные капли, присоединяющие к себе различные соединения, например, составляющие воды. В дальнейшем вновь образованные вещества приобретали характерные свойства, вступали в различные химические реакции, в результате которых часть вновь образованных веществ выделялись наружу. Однако это еще не были живые организмы.

Капли-коацерваты росли, увеличиваясь в размерах. В них происходил обмен веществ, и со временем они научились делиться. Впоследствии эти капли получили название первичных клеток или протобионтов. Ученые предположили, что они историческое начало веществ, подобных ферментов (коферменты).

Эксперименты по абиогенному синтезу органических веществ

В 1953 году аспирант Нобелевского лауреата Г.Юри Стэнли Миллер занялся экспериментом по абиогенезу. Его идея состояла в следующем: полуподвальное помещение лаборатории было «превращено в древнейшую землю». Под руководством Г.Юри аспирант сконструировал простой прибор, состоящий из колбы сферической формы и многочисленных трубочек. В них циркулировали образующиеся вещества, постепенно охлаждаясь и поступая в колбу.

Таким образом, в колбе присутствовали газы (водяной пар, водород, аммиак, метан), которые образовывали атмосферу Земли на этапе ее формирования. Как считали А.И. Опарин, Г. Юри и С.Миллер, именно так протекали процессы в древнейшие времена под действием солнечного излучения. Чтобы дать реакциям энергию, Миллер использовал колбу, нагреваемую на бунзеновской горелке. В дополнение в энергетической составляющей использовался прибор, состоящий из стеклянной трубки и двух электродов (подобие вспышек молний и электрического разряда).

Цикл был замкнутым, и после каждого из них материал охлаждался, возвращался в колбу, после чего повторялся вновь.

В результате этих экспериментов Миллер и Юри продемонстрировали, что за несколько миллионов лет под действием электрических разрядов из молний в атмосфере Земли могли синтезироваться молекулы органических веществ. Впоследствии, когда они с дождем попали в «первичный бульон», из них могло начаться образование первых живых микроорганизмов и их клеток.

Работали над экспериментальным подтверждением основы биохимической теории и другие ученые. Например, Д.Оро нагревал цианистый водород с водой и аммиаком, посредством чего получал аденин. Воздействовав на метан, аммиак и воду особыми излучениями, получал рибозу и дезоксирибозу.

С.Фокс успешно синтезировал белковообразные вещества — протеиноиды. Он нагревал смесь аминокислот, в результате чего получал полимеры нуклеотидов.

Синтезом веществ, аналогичных коацерватам, занимался сам А.И. Опарин и его ученики.

Опровержение биохимической эволюции

Одно из современных опровержений сводится к сомнению в присутствии аммиака в древней атмосфере вокруг Земли. Кроме того, для многих ученых так и остался неуточненным вопрос: в ходе таких процессов появились раньше белки или нуклеиновые кислоты? Опарин считал, что первыми были белки. Сторонники гипотезы генетических механизмов утверждали, что это были нуклеиновые кислоты. Тем более согласно результатам лабораторных исследований Г. Миллера в 1929 году репликация этих веществ могла происходить без участия ферментов. Группа такой оппозиции утверждала, что рибосомы, состоящие из одной РНК, могли впоследствии «научиться» синтезировать белок.

Жизнеспособность такого пути эволюции впоследствии была подтверждена экспериментально. В пользу генетической теории свидетельствовал тот факт, что РНК без участия ферментов могла реплицироваться, претерпевать обратную транскрипцию и синтезировать ДНК.

Одновременно с этим высказывается предположение, что первая клетка образовалась в результате определенных химических процессов глубоко в океане. Следовательно, сегодня единого мнения ученых не существует.

Происхождение жизни на Земле рассматривается отдельными авторами в результате не только абиогенеза, но и биогенеза. Он состоит в том, что жизнь на Земле, как и сама Земля, никогда не возникали. Они существуют вечно. Другими словами, живое произошло от живого. Одни живые существа сменяют другие, вымирают либо, напротив, размножаются, но постоянно присутствуют на земле. Цепочка жизни бесконечна, потому в поисках появления первой клетки нет смысла.

Существует и креационистическая теория, утверждающая, что многообразие форм живого мира обусловил Бог. Такой взгляд полностью отрицает эволюционные течения и был распространен среди ученых XIX века.