Теория биохимической эволюции

Согласно данным современной науки возраст Земли составляет примерно 4,7 млрд. лет. В далеком прошлом условия на Земле коренным образом отличались от современных, что обусловило определенное течение химической эволюции, которая явилась предпосылкой для возникновения жизни. Другими словами, собственно биологической эволюции предшествовала предбиотическая эволюция, связанная с переходом от неорганической материи к органической, а затем к элементарным формам жизни. Это было возможным в определенных условиях, которые имели место на Земле в то время, а именно: высокая температура, атмосфера, состоящая из водяных паров, СО₂, СН₃, NH₃, присутствие сернистых соединений (вулканическая активность), высокая электрическая активность атмосферы, ультрафиолетовое излучение Солнца, которое беспрепятственно достигало нижних слоев атмосферы и поверхности Земли, поскольку озоновый слой еще не сформировался.

Следует подчеркнуть одно из важнейших отличий теории биохимической эволюции от теории самопроизвольного (спонтанного) зарождения, а именно: согласно этой теории жизнь возникла в условиях, которые для современной биоты непригодны!

Гипотеза Опарина-Холдейна. В 1923 г. появилась знаменитая гипотеза Опарина, сводившаяся к следующему: первые сложные углеводороды могли возникать в океане из более простых соединений, постепенно накапливаться и проводить к возникновению «первичного бульона». Эта гипотеза быстро приобрела вес теории. Надо сказать, что последующие экспериментальные исследования свидетельствовали о правомерности таких предположений. Так в 1953 г. С. Миллер, смоделировав предполагаемые условия древней Земли (высокая температура, ультрафиолетовая радиация, электрические разряды) синтезировал в лабораторных условиях 15 аминокислот, входящих в состав живого, некоторые простые сахара (рибоза). Позднее были синтезированы простые нуклеиновые кислоты. В настоящее время в этих условиях синтезированы все 20 аминокислот, составляющих основу жизни.

Опарин предполагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам. Белки способны образовывать гидрофильные комплексы: молекулы воды образуют вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от водной фазы и образовывать так называемые коацерваты (лат. сгусток, куча) с липидной оболочкой, из которой затем могли образоваться примитивные клетки.

Механизм образования липидной мембраны прост — липиды самоорганизуют пленку на поверхности воды, которая при перемешивании приводит к образованию липосом — прообраза клеточных мембран.

Существенный недостаток гипотезы Опарина — она не опирается на современную молекулярную биологию. Это вполне объяснимо, поскольку механизм передачи наследственных признаков и роль ДНК стали известны сравнительно недавно.

Английский ученый Холдейн (Кембриджский университет) в 1929 г. опубликовал свою гипотезу, согласно которой, живое также появилось на Земле в результате химических процессов в богатой диоксидом углерода атмосфере Земли, и первые живые существа были, возможно, «огромными молекулами». Он не упоминал ни о гидрофильных комплексах, ни о коацерватах, но его имя часто упоминается рядом с именем Опарина, а гипотеза получила название гипотезы Опарина-Холдейна.

Решающую роль в возникновении жизни впоследствии отводили появлению механизма репликации молекулы ДНК. Действительно, любая сколь угодно сложная комбинация аминокислот и других сложных органических соединений — это еще не жизнь. Ведь важнейшее свойство жизни — ее способность к самовоспроизведению. Проблема здесь в том, что сама по себе ДНК «беспомощна», она может функционировать только при наличии белков-ферментов (например, молекула ДНК-полимеразы, «расплетающая» молекулу ДНК, подготавливая ее к репликации). Остается открытым вопрос, как самопроизвольно могли возникнуть такие сложнейшие «машины» как пра-ДНК и нужный для ее функционирования сложный комплекс белков-ферментов.

В последнее время разрабатывается идея возникновения жизни на основе РНК, т. е. первыми организмами могли быть РНК, которые, как показывают опыты, могут эволюционировать даже в пробирке. Условия для эволюции таких организмов наблюдаются при кристаллизации глины. Эти предположения основаны, в частности, на том, что при кристаллизации глин каждый новый слой кристаллов выстраивается в соответствии с особенностями предыдущего, как бы получая от него информацию о строении. Это напоминает механизм репликации РНК и ДНК. Таким образом, получается, что химическая эволюция началась с неорганических соединений, и первые биополимеры могли быть результатом автокаталитических реакций малых молекул алюмосиликатов глины.

Гиперциклы и зарождение жизни. Концепция самоорганизации может способствовать лучшему пониманию процессов происхождения и эволюции жизни, исходя из гипотезы гиперцикла немецкого физико-химика М. Эйгена. Согласно последней, в «первичном бульоне» идет масса автокаталитических химических реакций, замыкающихся в циклические процессы, в которых происходит преобразование и перенос вещества и энергии. В них приходящая извне энергия расходуется на формирование новых органических соединений. Со временем такие циклы объединяются друг с другом — продукт одного цикла участвует в химических процессах, происходящих в другом цикле. Образуется сложная сеть химических циклических процессов, взаимосвязанных и согласованных друг с другом. Такую сеть Эйген и назвал гиперциклом. Со временем гиперциклы видоизменяются, возникают их разные вариации, среди гиперциклов идет естественный отбор — выживают только варианты гиперцикла, наиболее эффективно трансформирующие энергию.

Согласно гипотезе гиперцикла, процесс возникновения живых клеток тесно связан с взаимодействием нуклеотидов, являющихся материальными носителями информации, и протеинов (полипептидов), служащих катализаторами химических реакций в гиперцикле. В процессе этого взаимодействия нуклеотиды под влиянием протеинов воспроизводят самих себя и передают информацию следующему за ними протеину, так что возникает замкнутая автокаталитическая цепь, воспроизводящая сама себя и размножающаяся. Это и есть примитивная жизнь. В ходе дальнейшей эволюции таких гиперциклов из них и возникают первые живые клетки.

Воспроизведение компонентов гиперциклов, так же как и их объединение в новые гиперциклы, сопровождается усилением метаболизма, связанного с синтезированием высокоэнергетических молекул и выведением как «отбросов» бедных энергией молекул.

Итак, по Эйгену, происходит конкуренция гиперциклов, или циклов химических реакций, которые приводят к образованию белковых молекул. Циклы, которые работают быстрее и эффективнее, чем остальные, «побеждают» в конкурентной борьбе.

Таким образом, концепция самоорганизации позволяет установить связь между живым и неживым в ходе эволюции, так что возникновение жизни представляется отнюдь не чисто случайной и крайне маловероятной комбинацией условий и предпосылок для ее появления. Кроме того, жизнь сама готовит условия для своей дальнейшей эволюции.