Какие свойства коацерватов по мнению опарина позволили считать
В 1924 году вышла в свет книга «Происхождение жизни» советского ученого А. И. Опарина, где он экспериментально доказал, что органические вещества могут образовываться абиогенным путем при действии электрических зарядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси, содержащие пары воды, аммиака, метана и др. Под влиянием различных факторов природы эволюция углеводородов привела к образованию аминокислот, нуклеидов и их полимеров, которые по мере увеличения концентрации органических веществ в первичном бульоне гидросферы способствовали образованию коллоидных систем, так называемых коацерватов, которые, выделяясь из окружающей среды и имея неодинаковую внутреннюю структуру, по-разному реагировали на внешнюю среду. Превращению углеродистых соединений в химический период эволюции способствовала атмосфера с ее восстановительными свойствами, которая потом стала приобретать окислительные свойства, что свойственно атмосфере и в настоящее время .
Гипотеза Опарина способствовала конкретному изучению происхождения простейших форм жизни. Она положила начало физико-химическому моделированию процессов образования молекул аминокислот, нуклеиновых оснований, углеводородов в условиях предполагаемой первичной атмосферы Земли.
ОПИСАНИЕ ОПЫТА МИЛЛЕРА
Собранный аппарат представлял собой две колбы, соединённые
стеклянными трубками в цикл. Заполнявший систему газ представлял собой
смесь из метана (CH4), аммиака (NH3), водорода (H2) и монооксида углерода
(CO). Одна колба была наполовину заполнена водой, которая при
нагревании испарялась и водные пары попадали в верхнюю колбу, куда с
помощью электродов подавались электрические разряды, имитирующие разряды
молний на ранней Земле. По охлаждаемой трубке конденсировавшийся пар
возвращался в нижнюю колбу, обеспечивая постоянную циркуляцию.
После одной недели непрерывного цикла Миллер и Юри обнаружили, что
10—15 % углерода перешло в органическую форму. Около 2 % углерода
оказались в виде аминокислот, причём глицин оказался наиболее распространённой из них. Были также обнаружены сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот.
Эксперимент повторялся несколько раз в 1953—1954 годах. Миллер
использовал два варианта аппарата, один из которых, т. н.
«вулканический», имел определённое сужение в трубке, что приводило к
ускоренному потоку водных паров через разрядную колбу, что, по его
мнению, лучше имитировало вулканическую
активность. Интересно, что повторный анализ проб Миллера, проведённый
через 50 лет профессором и его бывшим сотрудником Джеффри Бейдом (англ. Jeffrey L. Bada)
с использованием современных методов исследования, обнаружил в пробах
из «вулканического» аппарата 22 аминокислоты, то есть гораздо больше,
чем считалось ранее.
Миллер и Юри основывались в своих экспериментах на представлениях 1950-х годов
о возможном составе земной атмосферы. После их экспериментов многие
исследователи проводили подобные опыты в различных модификациях. Было
показано, что даже небольшие изменения условий процесса и состава
газовой смеси (например, добавления азота или кислорода)
могли привести к очень существенным изменениям как образующихся
органических молекул, так и эффективности самого процесса их синтеза. В
настоящее время вопрос о возможном составе первичной земной атмосферы
остаётся открытым. Однако, считается, что высокая вулканическая
активность того времени способствовала выбросу также таких компонентов
как диоксид углерода (CO2), азот, сероводород (H2S), двуокись серы (SO2).
Предполагается, что Солнце и планеты Солнечной системы возникли из
облака космической пыли. Возраст Земли составляет более 5 млрд лет.
Сначала температура Земли была очень высокой, по мере ее остывания
тяжелые вещества оседали к центру и образовывали ядро планеты, а более
легкие — ее оболочку. Постепенно газы, вовлеченные во внутренние слои
планеты, начали выделяться, и благодаря им образовалась земная
атмосфера. В ее состав входили метан (СН4), аммиак (NH3), углекислый газ
(С02), водород (Н2), вода (Н20). Когда температура поверхности планеты
стала ниже 100 С, из водяных паров атмосферы образовались первичные моря
и океаны.
Постоянные ливни и сильнейшие грозовые разряды сотрясали
первичную атмосферу планеты. В этих условиях, по мнению А. И. Опарина,
под действием мощных электрических разрядов, а также ультрафиолетового
излучения (кислород в атмосфере отсутствовал, и, следовательно, не было
защитного озонового экрана) и высокой радиации могли возникать
органические соединения, которые накапливались в океане, образуя
«первичный бульон».
В 1953 г. это предположение А. И. Опарина было
экспериментально подтверждено опытами американского ученого С. Миллера. В
созданной им установке (рис. 85) были смоделированы условия,
предположительно существовавшие в первичной атмосфере Земли. В
результате опытов были получены аминокислоты. Сходные опыты многократно
повторялись в различных лабораториях и позволили доказать принципиальную
возможность синтеза в таких условиях практически всех мономеров
основных биополимеров. В дальнейшем было установлено, что при
определенных условиях из мономеров возможен синтез более сложных
органических биополимеров: полипептидов, полинуклеотидов, полисахаридов и
липидов.
Следующим этапом, по мнению А. И. Опарина, было образование
многомолекулярных комплексов — коацерватов. Известно, что в
концентрированных растворах белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов
при определенных условиях могут образовываться сгустки, называемые
коацерватны-ми каплями, или коацерватами (рис. 86). Коацерваты
могут расти за счет синтеза новых соединений, происходящего с участием
химических веществ, поступающих в них из раствора.
Коацерваты — это
еще не живые существа. У них проявляются лишь некоторые признаки,
характерные для живых организмов, — рост и обмен веществ с окружающей
средой.
А. И. Опарин полагал, что решающая роль в превращениях
неживого в живое принадлежит белкам. Белковые коацерваты он рассматривал
как пробионты — предшественники живого организма. В коацерватные капли
из внешней среды поступали ионы металлов, выступавшие в качестве первых
катализаторов. Из огромного количества химических соединений,
присутствовавших в «первичном бульоне», отбирались наиболее эффективные в
каталитическом отношении комбинации молекул, что в конечном счете
привело к появлению ферментов.
На границе между коацерватами и
внешней средой выстраивались молекулы липидов, что приводило к
образованию примитивной клеточной мембраны.
Предполагается, что на определенном этапе белковые пробионты включили в себя нуклеиновые кислоты, создав единые комплексы.
Взаимодействие
белков и нуклеиновых кислот привело к возникновению таких свойств
живого, как самовоспроизведение, сохранение наследственной информации и
ее передача последующим поколениям.
Пробионты, у которых обмен
веществ сочетался со способностью к самовоспроизведению, можно уже
рассматривать как примитивные проклетки, дальнейшее развитие которых
происходило по законам эволюции живой материи. Дж. Холдейн также
выдвинул гипотезу абиогенного происхождения жизни. Согласно его
взглядам, впервые изложенным в 1929 г., первичной была не коацерватная
система, способная к обмену веществ с окружающей средой, а
макромолекулярная система, способная к самовоспроизводству. Другими
словами, А. И. Опарин отдавал первенство белкам, а Дж. Холдейн —
нуклеиновым кислотам.
Гипотеза Опарина — Холдейна завоевала много
сторонников, так как возможность абиогенного синтеза органических
биополимеров получила экспериментальное подтверждение.
Однако она
имеет и слабую сторону, на которую указывают ее оппоненты. В рамках
данной гипотезы не удается объяснить главную проблему: как произошел
качественный скачок от неживого к живому.
Согласно этой
теории, жизнь закономерно возникла
на определённом этапе истории Земли
в результате физико-химических процессов
при эволюции планеты, причём одной
из причин, определившей большую вероятность
возникновения жизни явилась относительно
более высокая распространённость на
Земле углерода.
Наиболее полно
и глубоко проблема происхождения
и сущности жизни как особой формы
организации и движения материи
разработана академиком А.И. Опариным
в 1957-1960 гг. Первый очерк Опарина на эту
тему, написанный ещё в 1924 г., содержал
в себе намётки новой программы химических
и биологических исследований (можно встретить
название «теория Опарина-Холдейна», т.к.
английский учёный Холдейн выдвинул сходные
идеи независимо от Опарина в 1929 г.). эта
программа, которую в последующие годы
в значительной мере осуществил он сам,
послужила также стимулом для исследований
многих других учёных в разных отраслях
знания — геохимические и геологические
исследования, исследования в области
физики, физической, органической и коллоидной
химии, электронно-микроскопическое изучение
клеточных структур, сравнительное биохимическое
исследование обмена веществ у ныне живущих
организмов и палеонтологическое изучение
древнейших ископаемых. В результате были
установлены те вероятные этапы, через
которые проходило эволюционное развитие
материи на пути к возникновению жизни.
Химическая
эволюция углеродистых
соединений
Изучение происхождения
жизни может быть успешно осуществлено
только на фоне рассмотрения общего развития
материи. «Чтобы представить себе этот
процесс, необходимо учесть всю совокупность
взаимодействий всех без исключения ступеней
химической эволюции, которая имеет интегральную
направленность на живое». Согласно теории
Опарина жизнь является результатом последовательного
усложнения углеродистых соединений,
поэтому особое значение уделено эволюции
этих соединений, приведшей к образованию
органических веществ и возникновению
из них сложных многомолекулярных систем.
Органические
вещества — главнейшие и обязательные
составляющие материального субстрата
жизни. Их простейшими представителями
служат соединения водорода и углерода.
По данным науки, с самых начальных периодов
образования нашей планеты на её поверхности,
в коре, гидросфере и атмосфере чисто химическим,
абиогенным (т.е. небиологического происхождения)
путём создавались и накапливались метан
и другие разнообразные углеводороды,
обладающие поразительными химическими
возможностями. Они не могли долго оставаться
неизменными, а обязательно вступали в
химические взаимодействия между собой
и с другими веществами, образуя такое
разнообразие сложных соединений, которое
чуждо неорганической природе. Именно
это, вероятно, и поставило их в такое исключительное
положение на пути возникновения жизни.
Экспериментальные
данные позволяют считать, что в определённый
период доактуалистической (восстановительной)
эпохи существования Земли водоёмы содержали
в себе вместе с водным раствором неорганических
солей и разнообразные органические вещества
— простые и сложные мономеры (аминокислоты,
пиримидиновые и пуриновые основания,
рибозу, дезоксирибозу) и неспецифические
полимеры типа белков и полинуклеотидов,
а также богатые энергией соединения,
способные вступать в многочисленные
взаимодействия между собой. Этот своеобразный
«первичный бульон» всё время изменялся,
эволюционировал как в целом, так и в отдельных
частях. Но совершавшиеся в нём химические
превращения коренным образом отличались
от тех, что характерны для всех живых
существ. У последних вследствие особой
организации всего организма последовательность
отдельных реакций строго согласована
в едином процессе обмена веществ.
По мнению академика
Опарина, легко можно представить
себе возможность абиогенного образования
сахаров, аминокислот, азотистых оснований,
а также их неспецифических полимеров,
но крайне невероятным является абиогенное
образование белков и нуклеиновых кислот
современного типа. Целесообразно построенные
белки-ферменты могли образоваться только
в процессе эволюции целостной системы,
уже обладавшей некоторым хотя и примитивным
обменом веществ, в котором ферменты играли
свою определённую роль.
Предбиологическая
эволюция углеродистых
соединений
Нужно ещё раз
отметить, что центральная проблема
возникновения жизни на земле — объяснение
качественного скачка от «неживого»
к «живому» — всё ещё весьма далека от ясности.
Наиболее интересной является коацерватная
гипотеза академика А.И.Опарина, она указывает
возможный путь возникновения обмена
веществ.
Коацерваты — это
обособленные в растворе органические
многомолекулярные структуры. Это еще
не живые существа. Их возникновение рассматривают
как стадию развития преджизни. Наиболее
важным этапом в происхождении жизни было
возникновение механизма воспроизведения
себе подобных и наследования свойств
предыдущих поколений. Это стало возможным
благодаря образованию сложных комплексов
нуклеиновых кислот и белков. Нуклеиновые
кислоты, способные к самовоспроизведению,
стали контролировать синтез белков, определяя
в них порядок аминокислот. А белки-ферменты
осуществляли процесс создания новых
копий нуклеиновых кислот. Так возникло
главное свойство, характерное для жизни
— способность к воспроизведению подобных
себе молекул.
Показано, что
характерной особенностью полинуклеотидов
и белковоподобных полимеров
является их ярко выраженная способность
образовывать комплексы с другими высокомолекулярными
органическими веществами, а также между
собой. При такого рода ассоциации возникают
многомолекулярные образования, физические
и химические свойства которых существенно
отличаются от свойств составляющих их
индивидуальных веществ.
Именно эти многомолекулярные системы
— коацерваты, — а не отдельные молекулы
должны были явиться, по мнению А.И.Опарина,
теми исходными образованиями, которые
в дальнейшем сформировались в первичные
организмы. Предполагается три качественно
различные ступени эволюции коацерватных
систем.
Первая — это
возникновение способности этих
систем к самосохранению в условиях
постоянного взаимодействия с внешней
средой, причём уже на этой стадии эволюции
материи осуществляется определённый
«отбор» систем по этому признаку.
Второй ступенью
явилось возникновение систем, способных
не только к самосохранению, но и
росту, увеличению своей массы за
счёт веществ окружающей среды. Коацерватные
капли постепенно превратились в
открытые системы, в которых при
стационарном состоянии скорость реакции
в одном направлении (приток богатых энергией
соединений) закономерно больше, чем в
другом, что приводило к увеличению массы
системы. Такие образования имели несомненное
преимущество в ходе эволюции.
В третьих, системы
постепенно приобретали не только динамическую
устойчивость, но и свойства всё большей
динамичности, когда в них реакции стали
протекать всё с большей скоростью, что
явилось в свою очередь важным фактором
совершенствования организованных образований.
В дальнейшем происходил «отбор» только
тех систем, в которых реакции распада
и синтеза согласовывались, проходя через
постоянно повторяющиеся цепи и циклы.
По терминологии А.И.Опарина, такого рода
системы, активно взаимодействующие с
внешней средой, обладающие динамической
устойчивостью и способностью не только
сохраняться, но и расти в условиях «первичного
бульона», условно называют протобионтами.
Протобионты уже
обладали более сложной организацией,
чем статические коацерватные капли,
но были, однако, на много порядков проще,
чем самые примитивные живые существа.
Эволюция
протобионтов и возникновение
первичных организмов
Организация протобионтов
должна была послужить исходной точкой
для их дальнейшей эволюции на пути
становления жизни. Главным в
этой организации было то, что протобионты
сохраняли постоянство соотношения скоростей
и согласованности совершавшихся в них
реакций. Это определялось тем, что при
разрастании они всё время сохраняли в
себе исходную повышенную концентрацию
неорганических или органических катализаторов,
избирательно поглощая их из внешней среды.
В условиях гидросферы
Земли под влиянием внешних механических
сил протобионты должны были дробиться,
наподобие капель эмульсии при их
встряхивании. При этом дочерние образования
должны были сохранять ту же организацию
взаимоотношений с внешней средой, которая
была присуща и исходному протобионту.
Конечно, данное явление по своему постоянству
и точности не может быть сопоставлено
с самовоспроизведением даже наиболее
примитивных ныне существующих организмов.
По мнению А.И.Опарина,
вполне допустимо считать, что протобионты
— эти исходные для возникновения жизни
системы — эволюционировали, подвергались
действию не только собственно физических
и химических законов, но и зарождающихся
биологических закономерностей, в том
числе и предбиологического естественного
отбора.
Предбиологический естественный отбор
выражался в том, что всякое нарушение
согласованности реакций у протобионта
обязательно вызывает гибель, исчезновение
данной, так сказать, неудачной индивидуальной
системы. На этой основе должно было происходить
постепенное усовершенствование организации
подавляющей массы разрастающихся и размножающихся
протобионтов. Прежде всего оно должно
было касаться их каталитического аппарата
как главнейшего фактора организации
обмена веществ, основанного на соотношении
скоростей отдельных составляющих реакций.
На этой стадии
развития, конечно, не могло быть и
речи о таких сложных, наделённых
специфическим внутримолекулярным
строением веществах, какими являются
ферменты современных организмов. Доступными
для протобионтов катализаторами могли
служить только присутствующие в значительных
количествах в «первичном бульоне» простейшие
органические вещества и неогранические
соединения (например, ионы металлов).
Эти вещества являются плохими катализаторами
по сравнению с ферментами, но их каталитическая
активность значительно повышается при
сочетании их с теми или иными радикалами
или молекулами. Следовательно, чем более
совершенным является данный комплекс,
т.е. чем больше его молекулярное строение
соответствовало его каталитической функции
и чем более эта функция была согласована
с другими реакциями, тем больше преимуществ
получал этот протобионт.
Дальнейшая эволюция
пошла в направлении возникновения
в системах всё более комплексных
и многозвенных процессов, уменьшающих
зависимость систем от внешней среды,
а также по пути замыкания цепей реакций
в постоянно повторяющиеся циклы. Это
привело к возникновению совершенных
каталитических механизмов, к созданию
мощных катализаторов — ферментов, т.е.
белков, внутримолекулярная структура
которых чрезвычайно хорошо приспособлена
к выполнению ими каталитических функций.
Для последующей
прогрессивной эволюции протобионтов
очень важным явилось создание такой
орагнизации, которая позволила
бы осуществить синтез полипептидов
с выгодными в каталитическом отношении
расположением аминокислотных остатков.
Такая организация требовала возникновения
принципиально новых пространственных
(матричных) механизмов.
Таким образом,
возникновение жизни было связано
с переходом материи на более
высокую ступень её организации и движения,
что означало появление новых свойств
и закономерностей. Последние накладывались
на общие физические и химические законы
и обуславливали формирование новых качеств,
отсутствовавших на молекулярном уровне.
В совокупности эти
качества присущи только
живым объектам. Главными из них являются:
- способность
к преодолению нарастания энтропии; - целесообразность
организации живых объектов, т.е. приспособленность
внутримолекулярного и надмолекулярного
строения частей к выполняемым ими функциям
и приспособленность организма в целом
к существованию в данных условиях внешней
среды; - специфическая
для жизни форма передачи информации.
Все эти качества
не могли возникнуть на молекулярном
уровне, а были связаны с обязательным
формированием и эволюцией многомолекулярных
фазовообособленных систем.
Заключение
А. И. Опарин, выдвинув
ряд тезисов в 30 годах, пытался
доказать случайность и спонтанность
возникновения живой клетки, но его труды
не увенчаются успехом и он будет вынужден
признаться: «К сожалению происхождение
клетки является самым туманным вопросом,
охватывающим теорию эволюции в целом.»
Однако до этого момента ему удалось убедить
большинство западных ученых, веривших
в натуралистическую дарвиновскую теорию
происхождения видов. Работы А.И. Опарина
по этому вопросу переведены на многие
языки народов мира. В 1950 году А.И. Опарин
совместно с другими был удостоен премии
имени А.Н.Баха и имени И.И.Мечникова, а
в 1974 году — Ленинской премии. За заслуги
в области науки он также награжден 5 орденами
Ленина, двумя другими орденами, иностранными
орденами и медалями.