Современный взгляд на происхождение жизни на Земле

Современный взгляд на происхождение жизни на Земле

 

В настоящее время центральной проблемой о вопросе происхождения жизни на Земле является описание эволюции развития механизма наследственности. Ученые сегодня убеждены, что жизнь возникла только тогда, когда начал действовать механизм репликации. Любая самая сложная комбинация аминокислот и других сложных органических соединений – это еще не жизнь. Но проблема в том, появление праДНК вместо коацерватной капли тоже не может считаться началом жизни на Земле Дело в том, что современная ДНК может функционировать только при наличии белковых ферментов

 Таким образом, ученые-биологи, занимающиеся сегодня решением  вопроса о происхождении жизни, сводят его к характеристике  доклеточного предка – протобионта, его структурных и функциональных особенностей.

 

Трудность решения этого вопроса объясняется хорошо известным фактом: для саморепродукции нуклеиновых кислот – основы генетического кода – необходимы ферментные белки, а для синтеза белков – нуклеиновые кислоты.

 

Конечно, проще всего было бы предположить, что оба эти свойства появились одновременно, объединились в единую систему в пределах протобионта, после чего началась их коэволюция – одновременная и взаимосвязанная эволюция. К сожалению, этот компромиссный вариант не получил признания ученых. Дело в том, что белковые и нуклеиновые макромолекулы структурно и функционально глубоко различны. В силу этого они не могла появиться одновременно, в результате одного скачка в ходе химической эволюции. Таким образом, невозможно их сосуществование в протобиологической системе (протобионте).

 

В результате, на протяжении большей части XX в. ученые вели дискуссию о том, что было первичным – белки или нуклеиновые кислоты, а также о том, как и на каком этапе произошло их объединение в систему, способную к передаче генетической информации и регуляции биосинтеза белков, то есть являющуюся живым организмом.

 

В зависимости от ответа на вопрос о первичности белков или нуклеиновых кислот, все существующие гипотезы и концепции можно разделить на две большие группы – голобиоза и генобиоза.

 

Рассмотренная нами концепция Опарина относится к группе голобиоза – методологического подхода, утверждающего первичность структур клеточного типа способных к элементарному обмен веществ при участи ферментных белков. Появление нуклеиновых кислот в этой концепции считается завершением эволюции, итогом конкуренции протобионтов. Эту точку зрения можно назвать субстратной.

 

Сторонники генобиоза исходят из убеждения в первичности молеклярной системы со свойствами первичного генетического кода. Эту группу гипотез и концепций можно назвать информационной. Примером этой точки зрения может служить концепция Дж. Холдейна. Согласно ей, первичной была не структура, способная к обмену веществ с окружающей средой, а макромолекулярная система, подобная гену и способная к саморепродукции, и поэтому названная им «голым геном».

 

Вплоть до 1980-х годов имело место четко выраженное противостояние гипотез голобиоза и генобиоза. Оно обрело форму дискуссии при обсуждении вопроса, что старше – голый ген (способность к генетической репродукции) или белковый протобионт (способность к метаболизму). В иной трактовке эта дискуссия стала представлять собой противостояние двух концепций – информационной (генетической) и субстратной (обменно-метаболической).

 

В рамках этой дискуссии большую популярность приобрела гипотеза английского биохимика П. Деккера, принадлежавшая к направлению голобиоза. Он предположил, что структурной основой предка – биоида – были жизнеподобные неравновесные диссипативные системы. С точки зрения Деккера, они представляли собой открытые микросистемы с мощным ферментативным аппаратом. Биоид подвергался мутациям, накапливал при этом информацию, после чего эволюционировал.

 

Тем не менее, к началу 1980-х годов чаша весов стала склоняться в пользу концепции генобиоза. Во многом это произошло благодаря новому истолкованию открытого еще Л. Пастером свойства молекулярной хиральности живых организмов. Постепенно ученым стало ясно, что стереохимический код передается одновременно с генетическим кодом. То есть сегодня считается, что если молекулярная хиральность – изначальный и фундаментальный признак живой материи, то способность возрождать хирально чистые молекулярные блоки зародилась столь же раж как и способность к генетической саморепродукции. Функций стереохимического кода стало кодирование построения хирально чистых мономеров, без которых невозможно комплиментарное взаимодействие молекул субстрата и ферментов при биохимических реакциях. Это кодирование производится с помощью молекул ДНК или РНК.

 

Но оставался нерешенным вопрос о том, какая из этих информационных молекул появилась первой и сыграла роль матрицы для первичной комплиментарной полимеризации? Кроме того, по-прежнему стоял вопрос, как могла функционировать протобиотическая система в отсутствие ферментных белков, если мы допускаем, что они появились позже?

 

Ответ на эти вопросы был получен к концу 1980-х голов. Он гласил, что первичной была молекула РНК, а не ДНК. Признание этого факта было связано с наличием у РНК уникальных свойств. Оказалось, что она наделена такой же генетической памятью, как и молекула ДНК. Далее была установлена настоящая нездесушность РНК – стало ясно, что нет организмов, в которых отсутствовала бы РНК, хотя есть множество вирусов, геном которых не содержит ДНК. Также, вопреки устоявшейся догме, утверждавшей, что перенос генетической информации идет в направлении от ДНК к РНК и белку, оказался возможным перенос лей информации от РНК к ДНК при участии фермента, открытою в начале 1970-х годов.

 

В начале 1980-х годов была установлена способность РНК к саморепродукции в отсутствии белковых ферментов, то есть была открыта ее автокаталитическая функция. Это объясняло все нерешаемые ранее вопросы. Таким образом, сегодня считается, что протобионт представлял собой молекулу РНК. Древняя РНК была транспортной и совмещала в себе черты, как фенотипа, так и генотипа. Иными словами, она могла подвергаться как генетическим преобразованиям, так и естественному отбору. Сегодня уже очевидно, что процесс эволюции шел от РНК к белку, а затем к образованию молекулы ДНК, у которой С-Н связи более прочны, чем С-ОН связи РНК.

 

Очевидно, что возникновение хиральности, а также первичных молекул РНК не могло произойти в ходе плавного эволюционного развития. Судя по всему, имел место скачок со всеми характерными чертами самоорганизации вещества, об особенностях которой уже говорилось выше.

 

В 1990-е годы появился еще ряд версий, в соответствии с которыми жизнь могла появиться в геотермальных источниках на морском дне, в тонких пленках органического вещества, адсорбированного на поверхности кристаллов пирита или апатитов. Их появление вызвано некоторыми недостатками концепции генобиоза, но они еще не получили достаточного обоснования и развития.

 

Следующим этапом в процессе появления жизни стало рождение настоящей живой клетки. Сегодня ученые знают о первичной клетке (археклетке) намного больше, чем раньше. Археклетка была первичным живым организмом. У нее, очевидно, была двухслойная оболочка (мембрана), она обладала способностью всасывать через нее протоны, ионы и мелкие молекулы, а ее метаболизм основывался на низкомолекулярных углеродных соединений. В археклетке существовал клеточный скелет, отвечавший за ее целостность, а также обеспечивающий возможность ее деления. Жизнедеятельность клетки обеспечивалась за счет аденозинтрифосфоной кислоты.

 

Возможно, археклетки были схожи с недавно открытыми археобактериями и представляли собой прото-эукариотную систему, дальнейшая эволюция которых шла как по линии приобретения новых свойств эукариотами, так и по пути их утраты прокариотами. Этот процесс занял несколько миллиардов лет. Считается,чтопервые прокариоты появились более 4 млрд. лет назад. Ими были бактерии и сине-зеленые водоросли – практически бессмертные организмы жившие и очень сложных условиях. Эукариоты появились около 2.6 млрд. лет назад, они уже не были бессмертными, и с их появлением процесс эволюции жизни начал ускоряться.

 

Существует три гипотезы, объясняющих появление эукариотной клетки.

 

Согласно аутогенной версии усложнение археклетки шло постепенно по пути приобретения все новых внутренних структур и функций, результатом чего стало появление оформленного ядра.

 

Существует гипотеза симбиогенеза, которая предполагает, что качественное усложнение клетки и появление в ней ядра произошло в результате внедрения нескольких прокариотных клеток в клетку-хозяина.

 

Гипотеза споры сводит процесс образования эукариотной клетки к спорообразованию, свойственному многим одноклеточным организмам. Существует возможность торможения процесса спорообразования в результате мутации, что привело к образованию прокариотов. Если же таких мутаций не было, то появились эукариоты.

 

Какая из этих гипотез верна, покажет будущее.