Гипотеза биохимической эволюции

В современной биологии существует два методологических подхода к описанию процесса зарождения жизни:

- голобиоз – подход, основанный на первичности структур типа клеточной, способных к элементарному обмену веществ при участии ферментативного механизма;

- генобиоз – подход, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода.

Оба они основываются на идее биохимической эволюции: жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.

Гипотеза биохимической эволюции была высказана еще в 1923 г. нашим соотечественником – биохимиком А.И. Опариным (1894-1980) и английским ученым Д.Б. Холдейном (1892-1964). Они выделили несколько этапов биохимической эволюции.

1. Геохимическая эволюция Земли; формирование подходящих физико-химические условий – температуры, давления, радиации; синтез простейших неорганических соединений (СО₂, Н₂О, NН₃ и др.), переход воды из парообразного состояния в жидкое в процессе охлаждения Земли. На это ушло десятки, если не сотни миллионов лет. Исследование пузырьков газа в древнейших отложениях показывает, что первичная атмосфера Земли не содержала свободного О, в ней присутствовали: диоксид углерода, пары воды соединения серы, аммиака – т.е. соединения которые образуются при дегазации лав. Это была разреженная восстановительная среда.

2. Несколько сотен миллионов лет ушло на эволюцию атмосферы и гидросферы и создание условий для синтеза простейших органических веществ (аминокислот). По предположению А.И.Опарина и Д.Холдейна это происходило под воздействием грозовых разрядов. В насыщенной парами воды первичной атмосфере Земли грозы происходили гораздо чаще, чем сейчас, и были гораздо мощнее. В каналах молний температуры могут достигать нескольких сотен тысяч градусов. Это стало важнейшим фактором синтеза аминокислот.

3. Накопление их в водах океанов способствовало постепенному усложнению органических соединений, образованию блоков-мономеров и простых полимеров, что в конечном итоге привело к формированию белковых структур и первичного водно-белкового «бульона».

4. Благодаря амфотерности белковых молекул (способности к образованию коллоидных гидрофильных комплексов, притягивающих к себе молекулы воды) стало возможным создание вокруг белковых структур водной оболочки. Образовались водно-белковые комплексы.

5. Образование сложных полимеров: нуклеиновых кислот, обладающих свойством самовоспроизведения и производства белковых структур.

6. Слияние водно-белковых комплексов и образование коацерваций(лат. сoacervatio – накопление; накопление в растворах высокомолекулярных соединений), способных обмениваться веществом и энергией с окружающей средой. Включение в их структуру нуклеиновых кислот.

7. Поглощение коацерватами металлов и образование ферментов, способных ускорять биохимические процессы.

8. Выстраивание гидрофобных липидов на границе между коацерватами и внешней средой способствовало образованию примитивной мембраны, обеспечивающей стабильность функционирования коацервата.

9. В процессе эволюции у этих образований появились простейшая саморегуляция и самовоспроизведение.

Так, по мнению авторов гипотезы, появилось примитивное живое вещество. На его создание природа потратила около полутора миллиардов лет. Таким образом, чисто качественно, без математических уравнений, еще не зная о существовании автокаталитических реакций, биохимики указали основные этапы предбиологической эволюции вещества. Одно из слабых мест их теории – механизмы перехода от неживого к живому, появление функций саморегуляции и самовоспроизведения.

Эту проблему попытался разрешить М.Эйген, используя методы математического моделирования. Поздний этап предбиологической эволюции по его модели связан с сопряжением множества химических процессов, поисками оптимального соотношения их скоростей, согласованности их отдельных этапов и способности к внутренней перестройке под действием факторов внешней среды. Это потребовало совершенствования информационных связей между отдельными компонентами коацерваций. По всей вероятности, именно на этом этапе возникает многоконтурная обратная связь. Для достижения высокого уровня регуляции процессов необходимо ограничение влияния флуктуаций параметров внешней среды. Для этого потребовалась избирательно проницаемая мембрана – клеточная оболочка. Очевидно, одновременно совершенствуется процесс самовоспроизведения и передачи структурной (наследственной) информации, появляется способность к регенерации. Возникает примитивная, пространственно обособленная область низкой энтропии, отделенная от внешней высокоэнтропийной среды и способная к саморегуляции и самовоспроизведению.

Опыты, проведенные американским ученым Стенли Миллером в условиях, приближенных к тем, которые некогда существовали на Земле, полностью подтвердили возможность предбиологической эволюции по сценарию, описанному А.И. Опариным, Д.Б.Холдейном. Однако воспроизвести процесс самоорганизации биополимеров до клеточного уровня в искусственных условиях пока не удалось, и будет ли это возможно в обозримом будущем, неизвестно.