Происхождение жизни на Земле: абиогенез, теория Опарина — Холдейна и гипотеза «РНК-мира»

Вопрос о происхождении жизни — одна из величайших загадок естествознания. Исторические гипотезы:

1. Теория самозарождения (спонтанной генерации) — возникновение живых существ из неживой материи (мыши из грязного белья, черви из мяса). В 1668 г. итальянский врач Франческо Реди опытом с закрытыми и открытыми кувшинами с мясом доказал: личинки мух появляются только там, где мухи отложили яйца («Все живое — из живого», Omne vivum ex vivo);

2. Опыт Луи Пастера (1862 г.): ученый использовал колбы с длинным S-образным изогнутым горлышком. Прокипяченный бульон оставался стерильным годами, так как споры бактерий оседали на изгибе трубки и не попадали в бульон. Пастер окончательно опроверг теорию самозарождения микроорганизмов, доказав закон биогенеза;

3. Теория панспермии (Г. Рихтер, С. Аррениус, В.И. Вернадский) — жизнь занесена на Землю из космоса с метеоритами или космической пылью в виде спор микроорганизмов (не решает вопрос первичного возникновения жизни).

В 1924 г. советский биохимик А.И. Опарин и в 1929 г. английский ученый Дж. Холдейн выдвинули материалистическую теорию абиогенного возникновения жизни из неорганических молекул в 3 этапа:

1. 1-й этап — Абиогенный синтез низкомолекулярных органических мономеров:

Атмосфера древней Земли (около 4.0 млрд лет назад) была восстановительной: отсутствовал свободный кислород (O₂) и озоновый экран. Она состояла из паров H₂O, метана (CH₄), аммиака (NH₃), угарного газа (CO) и водорода (H₂). Под действием мощных грозовых электрических разрядов, вулканического тепла и жесткого солнечного УФ-излучения происходил синтез аминокислот, сахаров, пуринов и жирных кислот, смывавшихся дождями в первобытный горячий океан («первичный бульон»);

2. 2-й этап — Образование биополимеров и коацерватных капель:

На прогреваемых глинистых отмелях происходила термическая полимеризация аминокислот в протеиноиды. Высокомолекулярные полимеры гидрофобно обособлялись из водного раствора в микроскопические капли — коацерваты (коацерватные капли), способные избирательно поглощать вещества из среды (прообраз метаболизма);

3. 3-й этап — Возникновение генетического аппарата и пробионтов (протобионтов).

В 1953 г. американские исследователи Стэнли Миллер и Гарольд Юри экспериментально смоделировали условия первичной Земли в герметичной стеклянной установке:

• В аппарат закачали смесь газов: CH₄, NH₃, H₂ и пары кипящей воды H₂O;

• Через газовую смесь в течение недели непрерывно пропускали высоковольтные электрические искровые разряды (напряжение 60 000 В), имитирующие первобытные молнии;

• Конденсируемую жидкость охлаждали и подвергали химическому анализу.

Результаты: без участия каких-либо живых организмов и ферментов за одну неделю синтезировались более 20 органических соединений, включая 5 стандартных аминокислот (глицин, аланин, аспарагиновую и глутаминовую кислоты), мочевину, синильную кислоту и органические кислоты! Опыт Миллера — Юри блестяще доказал возможность абиогенного синтеза биомолекул.

Классическая дилемма «курицы и яйца»: для репликации ДНК необходимы ферменты белки, а для синтеза белков необходима генетическая матрица ДНК. Что возникло раньше?

Ответ дала концепция «РНК-мира» (У. Гилберт, 1986 г.):

• В 1982 г. Томас Чек и Сидни Олтмен открыли РИБОЗИМЫ — молекулы РНК, обладающие собственной ферментативной (каталитической) активностью (Нобелевская премия 1989 г.);

• Рибонуклеиновая кислота объединяет в себе свойства обоих полимеров: способна одновременно хранить генетическую информацию (как ДНК) и катализировать биохимические реакции (как белки);

• На ранних этапах биогенеза молекулы РНК самореплицировались без участия белков. Позже для стабильности генетическая память перешла к более прочной двухцепочечной ДНК, а каталитические функции — к более разнообразным белкам.

Фундаментальный вопрос ЕНТ по биогенезу:

• Первые живые организмы Земли (пробионты, архебактерии) были АНАЭРОБНЫМИ ГЕТЕРОТРОФАМИ!

1. Анаэробными — потому что в атмосфере не было свободного O₂;

2. Гетеротрофами — потому что они питались готовыми органическими веществами «первичного бульона» путем брожения;

• Автотрофное питание (фотосинтез) возникло ПОЗЖЕ у предков цианобактерий, когда запасы абиогенного бульона иссякли;

• Появление фотосинтеза привело к «кислородной катастрофе» и формированию озонового экрана (O₃), сделавшего возможным выход жизни на сушу.